Antimateria

Det här är en artikel som blivit liggande ett tag och därför inte är dagsaktuell, men nyligen kunde vi läsa i Nature¹ om ett nytt genombrott vad gäller antimateria.

Vad är egentligen antimateria (AM) och vad finns det för intressanta frågeställningar kring ämnet? AM har en historia som sträcker sig tillbaka till kvantfysikens tidigar dagar. 1927 utvecklade Dirac den relativistiska versionen av Schrödingerekvationen. Diracekvationen, som den kallas, visade sig ha lösningar inte bara för positiva energier, utan även för negativa. Man antog att det skulle vara någon form av anti-partikel, och redan 1932 hittade man elektronens antipartikel–positronen. Enligt standardmodellen, dvs den nuvarande huvudteorin för hur vårt universum är sammansatt på partikelnivå, har varje partikel en antipartikel. En antipartikel har samma massa och spinn som sin partikel men omvända kvanttal såsom laddning, leptontal och baryontal. Man kan gå från partikel till antipartikel genom en CPT-transform (CPT=Charge Parity Time, C betyder att man byter tecken på alla laddningar, P att byter tecken på alla riktningar, x --> -x o.s.v., T att man byter riktning på tiden.), dvs en antipartikel kan ses som en spegelvänd partikel med omvänd laddning men som rör sig bakåt i tiden. Vissa partiklar, t.ex. fotonen är sin egen antipartikel. I accelaratorexeriment har man hittat en stor mängd partiklar och antipartiklar. Det finns exempelvis en stor grupp partiklar, mesoner, som består av ett kvark-antikvark-par.

En av de intressantaste frågorna rörande AM är varför det verkar finnas så lite av det in universum. Enligt de flesta (alla?) rådande teorier borde lika mycket materia som antimateria bildats vid Big Bang, Frågan är var all AM tagit vägen, eller varför det finns någon materia över huvud taget. Som alla som läst Dan Browns ”Änglar och Demoner” vet så är AM extremt ”reaktivt”. Om en partikel möter sin antipartikel kommer båda att annihileras och ”bli till ren energi” som den gode Brown uttryckte det, dvs till ett antal fotoner. En elektron och en positron annihileras genom att skicka ut två fotoner med energin 512 eV var. En enda elektron fungerar inte pga av lagen om rörelsemängdens bevarande. Så varför är universum inte bara en ett tomt eko av all materia och antimateria som borde träffats och annihilerats i tidernas begynnelse? Någon gång uppstod en obalans mellan de båda formerna och det vi kallar materia kom att dominera universum. (Nåja, den synliga delen av universum. Eftersom man, med Martin Rees ord, ”inte kan hitta 95% av universum”.) Detta är en av kosmologins stora gåtor.

Man har de senaste åren gått framåt i produktionen av antiväte, som är den allra enklaste varianten av antimateria. De första lyckade experimenten gjordes på 1990-talet vid Tevatronen i USA då man lyckades producera högenergetiska antiväte, men det senaste decenniet har man vid två konkurrerande experiment vid CERN, ATRAP och ATHENA, lyckats producera små mängder av kallt antiväte. Målet är att studera huruvida antimateria verkligen uppför sig som vanlig materia som teorin förutspår. Men, antiväte är inte den enda antiatomen som producerats, den var inte ens först. En mer exotisk fom av ”atom” förutspåddes på 30-talet och påvisades experimentellt 1951, positronium. Det är en elektron och en positron som hålls samman av Coulombattraktion på samma sätt som elektronen och protonen i väte. Positronium är metastabilt, dvs det har en lång (på atomär skala) livslängd, men sönderfaller genom annihilation. Studier av livslängden av olika positroniumtillstånd används som högprecisionstest av kvantelektrodynamiken.

Nu har man lyckats producera de första antimolekylerna, två positroniumatomer bundna till varandra, nästan som två väteatomer i en vätemolekyl. Man gjorde det genom att, mycket listigt, skicka en skur av positroner mot ett mål av porös kiseloxid (silica). Väggarna i silicaporerna kunde ta upp en del av den överskottsenergi som annars hindrar Ps-atomerna att paras ihop. Man hoppas nu inte bara kuna studera vad Ps₂ har för egenskaper utan också kunna skapa ett Bose-Einstein-kondensat av antimateria. Man skulle i så fall kunna få en koherent annihilationsprocess, vilket skulle kunna utnyttjas som en laser. Då fotonerna som skickas ut vid annihilationen är mycket kortvågiga skulle en sådan laser kunna användas till att studera tom atomkärnor.

Antimateria är spännande, inte bara som stoff för science fiction, utan också för vår fundamentala förståelse av universum. Bli inte alltför förvånade när Nobelpris börja trilla in där. Men det lär dröja ett tag ännu.

¹ D. B. Cassidy och A. P. Mills, Jr, The production of molecular positronium, Nature 449, 195-197. (pren. krävs)
² M. Charlton, Probing the antiworld, Physics World, 5 Okt 2005. Bra sammanfattning av antiväteprojekten.

Andra bloggar om: Fysik, Vetenskap, antimateria.