De faldne atomer

Vi har gjort det flere gange i historien. Smidt ting ned fra store højder for at bevise, at tyngdekraften virker ens på alt stof, stort eller småt, tungt eller let. 

Italienske Galileo Galilei smed i slutningen af 1500-tallet en let og en tung jernkugle ud fra Det Skæve Tårn i Pisa for at vise, at tyngdekraften var ligeglad med, hvad kuglerne vejede (eller måske tænkte han blot på at gøre det). 

Astronauten David Scott tabte helt sikkert en hammer og en fjer på Månen i 1971, og på YouTube kan alle se, hvordan genstandene ramte den støvede overflade på samme tid. 

Senest blev små stykker platin og titan testet i frit fald ombord på satellitten MICROSCOPE, og i 2022 kunne forskerne annoncere, at metallerne minsandten også overholder tyngdekraftens regler – helt ned til det 15. decimal.

Hvad så med stofs tvilling? Hvad med antistof? Er det her, vi skal finde en revne i den naturkraft, som holder vores klode samlet?

Antistof ligner almindeligt stof, bortset fra at dets ladning er modsat. En antielektron (positron) er positivt ladet, og en antiproton er negativt ladet. Antistof blev teoretisk forudsagt af engelske Paul Dirac i 1928, positronen blev fundet allerede i 1932 og antiprotonen i 1955. De første antiatomer – det vil sige antibrint med én positron kredsende om én antiproton – blev lavet på forsøgsanlægget CERN i 1995.

Aarhus Universitets fysikprofessor Jeffrey Hangst har været med fra starten og er en af de største pionerer inden for skabelsen af antistof. Han står i dag i spidsen for det store ALPHA-eksperiment, også ved CERN, som blev bygget for at kunne fastholde antibrint og måle på det. En af visionerne var at undersøge, hvordan tyngdekraften påvirker antistof.

»Vi har i flere år diskuteret, om det overhovedet kunne lade sig gøre at lave sådan et eksperiment,« siger Hangst. »Først for syv år siden begyndte vi at tage det alvorligt.«

Gruppen byggede en særlig forsøgsopstilling kaldet ALPHA-g. Heri ville de lade antibrintatomer falde og se, om de søgte opad eller nedad.

»99,9 procent af teorierne forudsagde, at antistof ville falde nedad, men jeg er ligeglad med, hvor populær en teori er. Vi kan kun få sandheden i fysik ved at lave målinger – shut up and measure!« siger Hangst.

Det har han nu gjort sammen med de 60 andre fysikere på holdet. Resultatet, en galileisk milepæl, er netop publiceret i tidsskriftet Nature.

Og ja, antistof adlyder de samme tyngdelove som almindeligt stof.

Det ville lektor på Niels Bohr Institutet Troels Christian Petersen også have været villig til at indgå et »stort, fedt væddemål« på, at det gjorde, men han er alligevel dybt imponeret over ALPHA-gruppens bedrift.

»Eksperimentet har presset grænsen for, hvad vi teknologisk set kan måle,« siger Petersen, der også arbejder på CERN, men ikke med antistof.

Lille drilske tyngdekraft

Tyngdekraften er den svageste af alle naturkræfterne, og selv en lille bitte smule elektromagnetisk kraft overdøver den.

»Hvorfor sidder elektronen fast omkring atomkernen?« spørger Troels Christian Petersen retorisk. »Er det på grund af tyngdekraften eller elektromagnetismen? Det er selvfølgelig begge dele, men elektromagnetismen er 10⁴⁰ stærkere end tyngdekraften.«

Derfor kunne Jeffrey Hangst ikke bare tabe noget antibrint for at se, om det mon faldt nedad. Han skulle have styr på selv de mindste elektromagnetiske forstyrrelser.

Et andet problem er, at stof og antistof annihilerer hinanden. Så snart en antistofpartikel rammer en stofpartikel, tilintetgøres de begge og efterlader kun lys. Antistofpartiklerne skulle derfor køles så langt ned i eksperimentet, at de ville bevæge sig langsomt nok til, at fysikerne kunne nå at måle tyngdekrafteffekten, inden de forsvandt. Det krævede en temperatur på under 0,5 grader over det absolutte nulpunkt på -273,15 grader celsius.

I ALPHA-g holdes antibrintpartiklerne fast i en snedig magnetfælde. Når fysikerne åbner fælden, slippes partiklerne fri. Var der tale om tennisbolde, ville de selvfølgelig alle ramme gulvet, sekundet efter at fælden blev åbnet, men her er tale om en sky af atomer. Nogle stiger opad, nogle falder ned. Sådan er det også med almindelige atomer.

Fysikerne slap 100 atomer fri ad gangen over 20 sekunder og gentog proceduren igen og igen. De talte, hvor mange atomer der henholdsvis steg opad og faldt nedad. Da de var færdige, så de, at antibrinten fordelte sig på samme måde som brint. Cirka 80 procent af partiklerne faldt ned. 

»Det er en meget stor dag,« siger Hangst, der netop har haft BBC i røret. »Jeg er så stolt af mit hold, som har knoklet med noget, vi har drømt om at gøre i 30 år.«

Antityngdekraft

Enkelte fysikteoretikere havde ellers forudsagt, at antistof ville stige opad. De mente, at der fandtes en form for antityngdekraft, så antistoffet ville blive frastødt og ikke tiltrukket af masse.

I 2011 foreslog to franske astrofysikere for eksempel et såkaldt Dirac-Milne-univers, hvor stof og antistof holdt hinanden i skak med tyngdekraften som buffer mellem sig – ligesom når to magnetiske sydpoler frastøder hinanden. Franskmændenes model ville gøre mørkt stof og mørk energi overflødigt. Universet består tilsyneladende næsten udelukkende af mørkt stof og mørk energi, men vi aner ikke, hvad det er. Et Dirac-Milne-univers ville også løse problemet med, at der burde være dannet lige meget stof og antistof ved Big Bang, selvom vi ikke kan finde nogen spor efter antistoffet.

Andre teoretikere har ligeledes argumenteret for, at en antityngdekraft ville kunne forklare, hvorfor universet udvider sig hurtigere og hurtigere, uden at vi skal introducere noget så flyvsk som mørk energi. Deres argumenter er dog ikke meget værd, nu hvor antibrinten i ALPHA-g faldt nedad. Og så alligevel.

Hangst understreger nemlig, at usikkerheden i deres eksperiment er meget stor.

»Der kan stadig godt gemme sig en lille forskel på antistof og stofs tyngdekrafteffekter,« siger han. »Det er mange teorier heller ikke afvisende over for.«

De næste ti år vil gruppen derfor forsøge at køle antibrinten endnu længere ned, så de kan måle tyngdekraftens påvirkning med endnu større nøjagtighed. Falder partiklerne blot en smule anderledes, end de burde, vil øjeblikket være lige så monumentalt, som da Newton fik et æble i hovedet.