Antimateria!

I nummer 17 av Folk och fans i landet Annien skrev jag om mörk materia. Därmed har vi förstås inte uttömt materiens gåtor och underverk. Nu när Änglar och demoner av Dan Brown har bästa skyltplats i alla bokhandlar är det mycket prat om antimateria. Jag tänkte haka på trenden, för antimateria är faktiskt ett riktigt intressant kapitel på flera sätt.

Själv fick jag min första information om antimateria från den fantastiska boken Fantasi och vetenskap i science fiction, som jag läste om och om igen i en formbar ålder. Där står det om baryontal och acceleratorexperiment, men det brydde jag mig inte särskilt mycket om att begripa. Roligare var att läsa om hur äldre tiders sf-författare missuppfattat hur antimateria funkar — till exempel E E Smith som tillskrev den negativ gravitation — och om hur fantastiskt mycket energi som frigörs när materia och antimateria stöter ihop och förintar varandra — ett kilo av vardera utlöser lika mycket som flera tusen Hiroshimabomber. Det var en väldigt effektiv jämförelse som gjorde stort intryck.

Men vad är antimateria egentligen?

Vanlig vardagsmateria består, som man lärde sig i skolan, av atomer. Atomerna är i sin tur uppbyggda av tätt packade kärnor med protoner och neutroner, omgivna av moln av elektroner. Elektronerna är så vitt vi vet elementarpartiklar, som inte består av några mindre delar, medan kärnpartiklarna är uppbyggda av kvarkar.

Letar man riktigt kan man hitta mer exotiska partiklar i naturen, som förekommer till exempel i kosmisk strålning. Dessutom har vi mängder av de svårdetekterade neutrinerna, som passerar rakt igenom oss och vår planet utan att göra väsen av sig. Skillnaden mellan strålning och materia är mest en fråga om hur man betraktar saker, samma partikel som är en del av materien när den håller sig på sin plats är strålning när den rör sig fritt omkring. När partiklar växelverkar med andra partiklar vid höga energier kan det bildas mer ovanliga, instabila partikelslag. Vi kan även få antipartiklar.

På 1920-talet utvecklades kvantmekaniken. Paul Dirac var ett av de stora namnen, och han satte sig ner för att försöka förbättra beskrivningen elektronen och dess växelverkan med det elektromagnetiska fältet på ett sätt som stämmer överens med relativitetsteorin. Hans ekvation fungerade mycket bra, och hade dessutom den lustiga egenskapen att den hade två lösningar: en som beskriver elektronen och en som beskriver en likadan partikel fast med motsatt laddning, en antielektron. Det här orsakade en del diskussion — kunde detta betyda att det verkligen finns sådana partiklar? Bara några år senare, 1932, kunde man faktiskt detektera antielektroner, positroner som de kallas, i kosmisk strålning. Sedan dess har antipartiklar varit vardagsmat i partikelfysiken, och man har så småningom kunnat observera antipartiklar till alla elementarpartiklar man känner till.

En antipartikel har enkelt uttryckt exakt samma egenskaper som motsvarande partikel, förutom att laddningarna har motsatt tecken. Ska man vara riktigt noga är beskrivningen av antipartikeln identisk med beskrivningen av en partikel efter att man har kastat om tecken på alla laddningar (en partikel beskrivs av flera olika "laddningstal" som man på fysikerspråk kallar interna kvanttal, även en elektriskt neutral partikel har sin antipartikel), på alla rumskoordinater och på tidens riktning. En del av intresset för antimateria ur en fysikers synvinkel är att testa om den här symmetrin alltid och fullständigt gäller. Man är alltid på jakt efter tecken på luckor i standardmodellen för fundamentala partiklar och växelverkningar, för att kunna upptäcka intressant ny fysik. Det är också den största anledningen till att man är intresserad av att tillverka antiatomer och undersöka deras egenskaper.

Antiatomer

Det mest spektakulära med antimateria är förstås att den förintas när den kommer i kontakt med vanlig materia. Processen kallas på fackspråk för annihilation. Hela massan hos den förintade partikeln och antipartikeln omvandlas till strålning, "ren energi" som det brukar heta.

Strålningen ser lite olika ut beroende på vilken antipartikel som var involverad. Om det är en positron och en elektron som annihilerar blir resultatet två fotoner (ljuspartiklar), vardera med en energi som motsvarar elektronens massa enligt världens mest kända ekvation: E=mc². En antiproton annihilerar på ett mer invecklat vis, ofta till en uppsättning partiklar som kallas pioner.

När man producerar och hanterar antimateria måste man alltså se till att ha bra vakuum, för varenda luftmolekyl som är i vägen bidrar till att förstöra experimentet.

2002 fick ATHENA-experimentet vid CERN, det stora acceleratorlaboratoriet i Geneve, stor uppmärksamhet när man meddelade att man lyckats producera stora mängder kallt antiväte, alltså antiatomer av väte med låga hastigheter. CERN har en lång historia av experiment med antiprotoner, och sedan 70-talet har man även producerat tyngre antiatomkärnor. Vill man kombinera dem med positroner till neutrala antiatomer är problemet att partiklarna produceras vid höga energier och därför rör sig så fort att de inte kan bindas till varandra.

Man kan kyla dem till exempel genom att låta dem passera genom en bit aluminium. Om den är lagom tjock kommer många antiprotoner att hinna passera igenom den utan att annihileras. Atomer består mest av tomrum, och en antipartikel måste passera genom många atomer för att det ska bli stor sannolikhet att den faktiskt kolliderar med en partikel. Däremot är atomer fulla av elektriska fält som antiprotonen kan växelverka med och så tappa rörelseenergi.

Svala antiprotoner kombineras sedan med positroner i ett magnetfält som ser till att hålla partiklarna borta från apparatens väggar. De växelverkar där med varandras fält och tappar ännu mer energi, ända tills de är svala nog att kombinera till atomer. Antiatomerna har ju ingen nettoladdning, och därför hålls de inte instängda av magnetfältet längre utan läcker ut och annihileras så fort de stöter på en vanlig atom. Resterna från annihilationen fångas upp i detektorer, och det är så man ser att man producerat antiatomer. När man väl har observerat dem finns de inte längre.

Tekniken att fånga upp och lagra antiatomerna finns ännu inte, men håller på att utvecklas. En väteatom är visserligen elektriskt neutral, men den har ett magnetiskt moment som man kan använda för att hålla den i ett magnetfält. På något sätt måste man då få ut atomerna ur den magnetiska fälla som är avpassad för laddade partiklar och in i en av en typ som passar atomer. Om några år kan man nog klara det också.

Energi

När vi nu kan tillverka antimateria och kanske snart till och med hantera och lagra antiatomer är det nära till hands att fråga sig om man inte kan använda det till en massa häftiga saker. Annihilation av antimateria är ju ett sätt att få ut all energi som är bunden i massa — kan inte antimateria fungera som en sorts väldigt effektivt och kompakt "bränsle"?

Haken med detta är att vi inte har någon naturlig källa till större mängder antimateria. Positroner sänds ut i vissa typer av radioaktivt sönderfall, men att fånga upp dem för att utvinna energin i deras massa lönar sig sämre än andra sätt att använda de radioaktiva ämnena. Antipartiklar av många slag bildas också när kosmisk strålning faller in mot atmosfären, men av uppenbara skäl är det lite svårt att samla in dem.

Vi är alltså hänvisade till antimateria vi kan tillverka i laboratoriet, där partiklar och antipartiklar produceras genom att kollidera till exempel protoner vid enorma energier. Den massa som finns i antipartiklarna kommer inte ur intet, utan är bara en liten del av den energi vi pumpar in. Man kan aldrig få ut mer energi än man stoppar in, vilket borde vara bekant för var och en, och produktion av antimateria är ungefär det minst effektiva sättet att lagra energi man kan tänka sig. Då har vi inte ens börjat fundera på alla andra praktiska problem med att lagra och frakta det hela.

På nätet förekommer ett rykte om att kometer skulle bestå av antimateria, som man skulle kunna utvinna och så lösa världens energiproblem. Naturligtvis är det en helt ogrundad uppfattning. Visserligen är det en gåta hur det kommer sig att det inte bildades lika mycket materia och antimateria i Big Bang, men det verkar ändå vara så att världen är osymmetrisk och nu består av den ena sorten. Om vissa delar av universum bestod av antimateria skulle det finnas gränsområden som man skulle se tydlig annihilationsstrålning ifrån.

Det här var ju kanske lite nedslående, men det visar sig som vi ska se att det finns andra områden där vi faktiskt kan ha nytta av antimaterian.

Cancerterapi och raketbränsle

En typ av antimateriateknologi som funnits rätt länge är en medicinsk avbildningsteknik som kallas PET, Positron Electron Tomography. Det fungerar så att man injicerar en radioaktiv isotop som sänder ut positroner. Positronerna annihilerar med elektroner i vävnaden och sänder ut två fotoner som lämnar kroppen i rakt motsatta riktningar. När man fångar upp denna signal i detektorer omkring patienten är det en fråga om enkel geometri att se precis var reaktionen ägde rum och alltså var det injicerade ämnet ansamlas.

Något som fortfarande ligger i framtiden, men som verkar väldigt lovande, är att använda antiprotoner för cancerterapi. Protoner är relativt tunga laddade partiklar och väldigt bra att bestråla tumörer med eftersom de bromsas upp på ett sätt som gör att man kan få maximal effekt på tumören medan man minimerar skadorna på vävnader runtomkring. Antiprotoner fungerar på samma sätt, men eftersom de annihilerar när de bromsats upp kan de avge mångdubbelt mer energi i en väl avgränsad volym. Man skulle behöva använda mycket färre antiprotoner än protoner för att förstöra en tumör.

Det här är en teknologi man hoppas mycket på av flera orsaker. Faktum är att utveckling av antiprotonterapi skulle pumpa in pengar i antimateriaforskningen och göra det möjligt att utveckla apparatur och tekniskt kunnande som skulle behövas för att göra häftigare och mer avlägsna saker. Som att driva rymdskepp.

Just det. Det har faktiskt gjorts en hel del tänkade vad gäller möjligheter att använda antimateria för att driva rymdfarkoster. Även om forskning och utveckling på området fortsätter ligger den här teknologin fortfarande kanske femtio år fram i tiden (sådana här saker ligger alltid femtio år i framtiden, tänk på fusionskraft), men principerna är fullt utarbetade.

Fördelen med att använda antimateria i stället för konventionella kemiska bränslen är att man skulle kunna komma mycket längre utan att behöva dra med sig mer massa i större bränsletankar. Det skulle då bli möjligt att skicka aktiva rymdsonder, som har en motor och kan manövrera och inte bara driva fram, ut till heliopausen och Oort-molnet eller ännu längre. Om teknologin sedan finns där kan man förstås tänka sig bemannade farkoster också.

Konceptet är att använda den energi som frigörs i annihilation av antimateria för att hetta upp reaktionsmassa i form av vanlig materia, som sedan kan slungas ut genom en raketdysa på vanligt sätt. Ett förslag till första generationens antimateriamotor är en cylinder av Wolfram, med ett hål genom centrum där man låter antiväte annihilera med väte. Annihilationsprodukterna hettar upp cylindern, som innehåller kanaler där man låter ytterligare väte passera och hettas upp, för att slungas ut i den bakre änden. Hastigheten hos reaktionsmassan begränsas här av smältpunkten för Wolfram.

En lite mer avancerad konstruktion skulle vara att låta annihilationerna ske i ett magnetfält där man kan styra de laddade pioner som bildas. De laddade pionerna bär med sig 60% av energin och kan i sig själva fungera som reaktionsmaterial. De kan även användas för att hetta upp ytterligare materia i ett andra steg. De neutrala pionerna som också bildas sönderfaller snabbt till fotoner med hög energi, och skulle tillsammans med fotonerna från positron-elektronannihilationen absorberas av något skärmande material. Överskottsvärmen kunde sedan användas för att driva en del av de omkringliggande systemen.

Reaktionsmassan består alltid av vanlig materia, och det är den som kommer att ta upp det mesta av bränsletanken. Man kan sedan komma långt eller kort på ungefär samma mängd beroende på hur mycket man hettar upp gasen, alltså hur snabbt den slungas ut.

Problemen som behöver lösas innan det här kan bli verklighet är uppenbara. Eftersom det är besvärligt att lagra stora mängder laddade partiklar behöver man framställa antiatomer och lära sig kyla och lagra dem, helst i kompakt form som Bose-Einstein-kondensat eller åtminstone väteis. Dessutom behöver man ett effektivare sätt att framställa antiprotoner. Man kommer att behöva antiväte i storleksordningar som närmar sig gram, bara till att börja med. Det är enorma mängder, när man räknar antal atomer!

När vi väl löst de här problemen är det bara att sätta igång att bygga Enterprise och bege oss ut i universum.