Hvorfor eksisterer vi? Dette er kanskje det dypeste spørsmålet som kan virke helt utenfor rammen av partikkelfysikk. Men vårt nye eksperiment på Large Hadron Collider på CERN har brakt oss nærmere svaret. For å forstå hvorfor vi eksisterer, må du først gå for 13,8 milliarder år siden, i Big Bangs tid. Denne hendelsen produserte en like stor mengde av stoffet vi er laget av og antimatter.
Det antas at hver partikkel har en antimateriell partner, som er nesten identisk med den, men har motsatt ladning. Når en partikkel og dens antipartikkel møtes, utslettes de - forsvinner i et lysglimt.
Hvor er alt antimateriet?
Hvorfor universet vi ser er sammensatt av materie, er et av de største mysteriene i moderne fysikk. Hvis det en gang var en like stor mengde antimaterie, ville alt i universet utslettet. Og slik ser det ut til at en nylig publisert studie har funnet en ny kilde til asymmetri mellom materie og antimaterie.
Arthur Schuster var den første som snakket om antimaterie i 1896, deretter i 1928 ga Paul Dirac det et teoretisk grunnlag, og i 1932 oppdaget Karl Anderson det i form av anti-elektroner, som kalles positroner. Positroner fødes i naturlige radioaktive prosesser, for eksempel forfall av kalium-40. Dette betyr at en vanlig banan (som inneholder kalium) avgir en positron hvert 75. minutt. Den blir tilintetgjort med elektroner i materien og produserer lys. Medisinske applikasjoner som PET-skannere produserer også antimaterie i en lignende prosess.
De viktigste byggesteinene til stoffet som atomer består av er elementære partikler - kvarker og leptoner. Det er seks slags kvarker: opp, ned, rart, sjarmert, sant og vakkert. På samme måte er det seks leptoner: elektron, muon, tau og tre typer nøytrinoer. Det er også antimateriale kopier av disse tolv partiklene, som bare er forskjellige i ladningen.
Antimateriepartikler skal i prinsippet være det perfekte speilbildet av deres normale satellitter. Men eksperimenter viser at dette ikke alltid er tilfelle. Ta for eksempel partikler kjent som mesoner, som består av en kvark og en antikvark. Neutrale mesoner har en fantastisk funksjon: de kan spontant bli til anti-meson og omvendt. I denne prosessen blir en kvark til en antikvark eller en antikvark blir til en kvark. Eksperimenter har imidlertid vist at dette kan skje oftere i en retning enn i en annen - som et resultat av at det er mer materie over tid enn antimaterie.
Salgsfremmende video:
Den tredje gangen er magisk
Blant partikler som inneholder kvarker, ble for eksempel asymmetri bare funnet i rare og vakre kvarker - og disse funnene ble ekstremt viktige. Den aller første observasjonen av asymmetri som involverte rare partikler i 1964, tillot teoretikere å forutsi eksistensen av seks kvarker - i en tid da bare tre var kjent for å eksistere. Oppdagelsen av asymmetri i vakre partikler i 2001 var den endelige bekreftelsen på mekanismen som førte til sekskvark-bildet. Begge funnene tjente nobelpriser.
Både rare og vakre kvarker bærer negative elektriske ladninger. Den eneste positivt ladede kvarken som i teorien skal kunne danne partikler som kan utvise en asymmetri av materie og antimaterie, er den sjarmerte. Teorien antyder at han gjør dette, effekten hans skal være ubetydelig og vanskelig å finne.
Men LHCb-eksperimentet ved Large Hadron Collider var i stand til å observere en slik asymmetri i partikler kalt D mesons, som er sammensatt av sjarmerte kvarker - for første gang. Dette er muliggjort av den enestående mengden sjarmerte partikler produsert direkte i kollisjoner ved LHC. Resultatet viser at sannsynligheten for at dette er en statistisk svingning er 50 per milliard.
Hvis denne asymmetrien ikke er født fra den samme mekanismen som fører til asymmetriene av rare og vakre kvarker, er det rom for nye kilder til asymmetri av materie-antimaterie, som kan tilføre den generelle asymmetrien til de i Universet. Og dette er viktig, siden flere kjente tilfeller av asymmetri ikke kan forklare hvorfor det er så mye materie i universet. Sjarmkvarkfunnet alene vil ikke være nok til å fylle dette problemet, men det er en viktig del av puslespillet når du skal forstå grunnleggende partikkelinteraksjoner.
Neste skritt
Denne oppdagelsen vil bli fulgt av en økning i antall teoretiske arbeider som hjelper til med tolkningen av resultatet. Men enda viktigere er at hun vil skissere ytterligere tester for å utdype vår forståelse av oppdagelsen vår - og noen av disse testene er allerede i gang.
I det kommende tiåret vil det oppgraderte LHCb-eksperimentet øke følsomheten for slike målinger. Det vil bli komplementert av Belle II-eksperimentet i Japan, som nettopp er i gang.
Antimatter er også kjernen i en rekke andre eksperimenter. Hele antiatomer produseres hos CERNs Antiproton Moderator, og de gir en rekke svært nøyaktige måleeksperimenter. Eksperiment AMS-2 ombord den internasjonale romstasjonen er på leting etter romavledet antimaterie. En rekke nåværende og fremtidige eksperimenter vil bli viet til spørsmålet om det er en sak-antimateriell asymmetri blant nøytrinoer.
Selv om vi fremdeles ikke helt kan avdekke mysteriet med asymmetri av materie og antimaterie, åpnet vår siste oppdagelse døren til en tid med presise målinger som kan avsløre ennå ukjente fenomener. Det er all grunn til å tro at fysikere en dag vil kunne forklare hvorfor vi i det hele tatt er her.
Ilya Khel
