Forskningsprojekt Antiatomer och antijoner
Antiväte är antimateriens motsvarighet till vanligt väte, d.v.s. det är det bundna tillståndet hos en antiproton och en positron. Enligt det så kallade CPT teoremet måste antiväte och väte ha identiska spektra.
Antiväte ska också falla med samma acceleration som vanligt väte, om Einsteins svaga ekvivalensprincip håller. Ett antal experiment vid CERNs antiproton decelerator AD strävar efter att testa dessa symmetrier med allt högre noggrannhet.
ALPHA var det första experimentet som lyckades fånga antiväte-atomer i en magnetfälla och även först att studera den s.k. 1S-2S övergången i antiväte, och även dess hyperfinstruktur. Nyligen lyckades vi också laserkyla antiväte, vilket kommer att möjliggöra både helt nya och mer noggranna tester i framtiden.
GBAR arbetar med att skapa positiva joner av antiväte (d.v.s. två positroner bundna till en antiproton). Planen är att sen kyla jonerna (vilket är lättare än att kyla neutrala atomer) för att sen försiktigt ta bort den ena positronen med en laserpuls. Då får vi en neutral, mycket kall, antiatom som vi kan studera då den faller mot (eller från?) jorden.
Vår roll i båda samarbetena handlar huvudsakligen om att göra simuleringar och beräkna hastigheter för olika processer. Många av våra resultat är också av intresse för en bredare forskning inom liknande områden.
Projektbeskrivning
Vår materia är uppbyggd av partiklar som elektroner och protoner. För varje partikel finns det också en spegelbild i form av en antipartikel. Så vitt vi vet är den enda skillnaden mellan partikel och antipartikel att de har motsatt elektrisk laddning. En positivt laddad proton motsvaras alltså av en negativt laddad antiproton och en negativt laddad elektron motsvaras av en positivt laddad antielektron (kallad positron). Då materia och antimateria möts förintas båda och blir energi, och omvänt kan partikel-antipartikel par skapas ur energi. Då universum skapades ur energi måste, om spegelbilden är perfekt, lika mycket antimateria som materia ha skapats. Runt om kring oss ser vi dock endast vår vanliga materia. Ett stort problem i fysiken är därför: vart har all antimateria tagit vägen?
Ett sätt att försöka hitta ledtrådar är att leta efter små sprickor i spegelbilden. Om t.ex. partiklar av vanlig materia skulle ha en aning annorlunda egenskaper än antimateria kunde det skapas en asymmetri så att ett överskott av materia skapas.
Syftet med detta projekt är att med teoretiska beräkningar understödja experiment som utför mycket noggranna mätningar på atomer av antimateria. Precis som en elektron och en proton binds samman till en väteatom kan en positron och en antiproton bindas samman till en antiväteatom. Om materie-antimaterie symmetrin är perfekt ska väteatomen och antiväteatomen ha exakt samma kvantmekaniska energinivåer. På vanligt väte har extremt precisa mätningar utförts. Målet för ALPHA-samarbetet är att göra samma mätningar på antiväte och
Svårigheterna är många. Antiväte finns ju inte runt om oss naturligt, så vi måste själva bygga ihop antiatomerna. Därför sker experimenten på det europeiska fysiklaboratoriet CERN, vilket är den enda plats i världen där det produceras antiprotoner med tillräckligt låg energi för att bygga antiatomer. Eftersom en antiatom förgörs om den möter en vanlig atom måste antiatomerna hållas fast med hjälp av magnetfält. Magnetiska krafter är dock svaga, så för att antiatomerna inte ska smita innan en mätning kan göras måste deras temperatur vara mindre än en halv grad över absoluta nollpunkten.
Trots detta har ALPHA lyckats hålla 1000 antiväte-atomer samtidigt i sin fälla, kyla dem med hjälp av laserljus och göra mycket noggranna mätningar. Ingen skillnad från vanligt väte har observerats, men fortfarande har vanligt väte mätts med 1000 gånger högre precision, så arbetet fortsätter. Som ett delprojekt kommer vi att undersöka metoder för att skapa fler och kallare antiväteatomer i ALPHA.
Andra experiment, t.ex. GBAR vill studera gravitation på antimateria, d.v.s. om antiväte och väte faller lika snabbt mot jorden. Som ett steg i detta experiment skall antivätejoner skapas (d.v.s. antiväte med en extra positron). Eftersom joner är elektriskt laddade kan de styras med elektriska krafter, som är starkare och mer lätthanterliga än magnetiska, vilket kan användas till att kyla jonerna så att de står nästan helt stilla.
När jonen är kall kan en laser ta bort den extra positronen varpå den kvarvarande neutrala antiatomen börjar falla.
Inom projektet kommer vi bland annat att arbeta med beräkningar av hastigheter för de reaktioner som ger antvätejoner. Dessutom arbetar vi med simuleringar som stödjer det praktiska arbetet med att samla tillräckligt med positroner för att detta ska vara möjligt.
Vi kommer också att arbeta för framtidens experiment. Genom att kartlägga reaktionsvägar och beräkna reaktionshastigheter hoppas vi hitta metoder att tillverka mer komplicerade antimateriesystem, till exempel antiväte-molekyler. Av speciellt intresse är den molekylära antijonen (d.v.s. 2 antiprotoner bundna av en positron) eftersom dess egenskaper är mycket lämpliga för ytterst noggranna mätningar på antimateria.
Projektmedlemmar
Projektansvariga
Svante Jonsell
Universitetslektor
