Fysikere afslører, hvorfor stof dominerer universet

Fysikere fra College of Arts and Sciences ved Syracuse University har bekræftet, at stof og antistof henfalder forskelligt for elementarpartikler, der indeholder charmerede kvarker.

Den fremtrædende professor Sheldon Stone siger, at resultaterne er det første, selvom stof-antistof-asymmetri er blevet observeret før i partikler med mærkelige kvarker eller skønhedskvarker.

Han og medlemmer af kollegiets forskningsgruppe for højenergifysik (HEP) har målt, for første gang og med 99,999 procent sikkerhed, en forskel på måden D ⁰ mesoner og anti-D ⁰ mesoner omdannes til mere stabile biprodukter.

Mesoner er subatomære partikler sammensat af en kvark og en antikvark, bundet sammen af ​​stærke interaktioner.

"Der har været mange forsøg på at måle stof-antistof-asymmetri, men, indtil nu, ingen har haft succes, siger Stone, som samarbejder om Large Hadron Collider skønhedseksperimentet (LHCb) på CERN laboratoriet i Genève, Schweiz. "Det er en milepæl inden for antistofforskning."

Resultaterne kan også indikere ny fysik ud over standardmodellen, som beskriver, hvordan fundamentale partikler interagerer med hinanden. "Indtil da, vi er nødt til at afvente teoretiske forsøg på at forklare observationen på mindre esoteriske måder, " tilføjer han.

Hver partikel af stof har en tilsvarende antipartikel, identiske på alle måder, men med en modsat ladning. Præcisionsundersøgelser af brint- og antibrintatomer, for eksempel, afsløre ligheder ud over milliarddecimalen.

Når stof og antistofpartikler kommer i kontakt, de udsletter hinanden i et udbrud af energi - svarende til det, der skete i Big Bang, omkring 14 milliarder år siden.

"Det er derfor, der er så lidt naturligt forekommende antistof i universet omkring os, siger Stone, en stipendiat fra American Physical Society, som har tildelt ham årets W.K.H. Panofsky-prisen i eksperimentel partikelfysik.

Spørgsmålet på Stones sind involverer den lige-men-modsatte natur af stof og antistof. "Hvis den samme mængde stof og antistof eksploderede til eksistens ved universets fødsel, der skulle ikke have været andet tilbage end ren energi. Naturligvis, det skete ikke, " siger han i en snert af underdrivelse.

Dermed, Stone og hans LHCb-kolleger har ledt efter subtile forskelle i stof og antistof for at forstå, hvorfor stof er så udbredt.

Svaret kan ligge hos CERN, hvor videnskabsmænd skaber antistof ved at smadre protoner sammen i Large Hadron Collider (LHC), verdens største, den mest kraftfulde særlige accelerator. Jo mere energi LHC producerer, jo mere massive er partiklerne – og antipartiklerne – dannet under kollision.

Det er i resterne af disse kollisioner, at forskere som Ivan Polyakov, en postdoc i Syracuses HEP-gruppe, på jagt efter partikelingredienser.

"Vi ser ikke antistof i vores verden, så vi er nødt til at fremstille det kunstigt, " siger han. "Dataene fra disse kollisioner gør os i stand til at kortlægge henfaldet og transformationen af ​​ustabile partikler til mere stabile biprodukter."

HEP er kendt for sin banebrydende forskning i kvarker - elementære partikler, der er stoffets byggesten. Der er seks typer, eller smag, af kvarker, men videnskabsmænd taler normalt om dem i par:op/ned, charme/mærkeligt og top/bund. Hvert par har en tilsvarende masse og fraktioneret elektronisk ladning.

Ud over skønhedskvarken ("b"et i "LHCb"), HEP er interesseret i den charmerede kvark. På trods af sin relativt høje masse, en charmeret kvark lever en flygtig tilværelse, før den forfalder til noget mere stabilt.

For nylig, HEP studerede to versioner af den samme partikel. En version indeholdt en charmed quark og en antimaterie version af en up quark, kaldet anti-op kvark. Den anden version havde en anti-charm-kvark og en up-quark.

Ved at bruge LHC-data, de identificerede begge versioner af partiklen, langt op i titusinder af millioner, og talte antallet af gange, hver partikel henfaldt til nye biprodukter.

"Forholdet mellem de to mulige udfald burde have været identisk for begge sæt partikler, men vi fandt ud af, at forholdet afveg med omkring en tiendedel af en procent, " siger Stone. "Dette beviser, at charmeret stof og antistofpartikler ikke er fuldstændigt udskiftelige."

tilføjer Polyakov, "Partikler kan se ens ud på ydersiden, men de opfører sig anderledes indeni. Det er antistofs gåde."

Tanken om, at stof og antistof opfører sig forskelligt, er ikke ny. Tidligere undersøgelser af partikler med mærkelige kvarker og bundkvarker har bekræftet det.

Hvad gør denne undersøgelse unik, Stone konkluderer, er, at det er første gang nogen har været vidne til partikler med charmerede kvarker være asymmetriske:"Det er en for historiebøgerne."