CERN:Undersøgelse kaster lys over et af fysikkens største mysterier - hvorfor der er mere stof end antistof

Hvorfor eksisterer vi? Dette er uden tvivl det mest dybtgående spørgsmål, der findes, og et, der kan virke helt uden for partikelfysikkens rammer. Men vores nye eksperiment på CERNs Large Hadron Collider har bragt os et skridt tættere på at finde ud af det.

For at forstå hvorfor, lad os gå tilbage i tiden omkring 13,8 milliarder år til Big Bang. Denne begivenhed producerede lige store mængder af det stof, du er lavet af, og noget, der kaldes antistof. Det antages, at hver partikel har en antistof-ledsager, der er praktisk talt identisk med sig selv, men med den modsatte ladning. Når en partikel og dens antipartikel mødes, de tilintetgør hinanden – forsvinder i et lysudbrud.

Hvorfor universet, vi ser i dag, udelukkende er lavet af stof, er et af de største mysterier i moderne fysik. Havde der nogensinde været en lige så stor mængde antistof, alt i universet ville være blevet tilintetgjort. Vores forskning har afsløret en ny kilde til denne asymmetri mellem stof og antistof.

Antistof blev først postuleret af Arthur Schuster i 1896, givet et teoretisk grundlag af Paul Dirac i 1928, og opdaget i form af anti-elektroner, døbte positroner, af Carl Anderson i 1932. Positronerne forekommer i naturlige radioaktive processer, såsom i henfaldet af Kalium-40. Det betyder, at din gennemsnitlige banan (som indeholder kalium) udsender en positron hvert 75. minut. Disse tilintetgør derefter med stofelektroner for at producere lys. Medicinske applikationer som PET-scannere producerer antistof i samme proces.

De grundlæggende byggesten i stof, der udgør atomer, er elementære partikler kaldet kvarker og leptoner. Der er seks slags kvarker:op, ned, mærkelig, charme, bund og top. Tilsvarende der er seks leptoner:elektronen, muon, tau og de tre neutrinoer. Der er også antistof-kopier af disse tolv partikler, der kun adskiller sig i deres ladning.

Antistofpartikler bør i princippet være perfekte spejlbilleder af deres normale ledsagere. Men eksperimenter viser, at dette ikke altid er tilfældet. Tag for eksempel partikler kendt som mesoner, som er lavet af en kvark og en anti-kvark. Neutrale mesoner har en fascinerende egenskab:de kan spontant blive til deres anti-meson og omvendt. I denne proces, kvarken bliver til en anti-kvark eller anti-kvarken bliver til en kvark. Men eksperimenter har vist, at dette kan ske mere i den ene retning end den modsatte - skabe mere stof end antistof over tid.

Tredje gang er en charme

Blandt partikler, der indeholder kvarker, kun dem, inklusive mærkelige kvarker og bundkvarker, har vist sig at udvise sådanne asymmetrier - og disse var enormt vigtige opdagelser. Den allerførste observation af asymmetri, der involverede mærkelige partikler i 1964, gjorde det muligt for teoretikere at forudsige eksistensen af ​​seks kvarker - på et tidspunkt, hvor kun tre var kendt for at eksistere. Opdagelsen af ​​asymmetri i bundpartikler i 2001 var den endelige bekræftelse af den mekanisme, der førte til seks-kvarkbilledet. Begge opdagelser førte til Nobelpriser.

Både den mærkelige kvark og den nederste kvark bærer en negativ elektrisk ladning. Den eneste positivt ladede kvark, der i teorien skulle være i stand til at danne partikler, der kan udvise stof-antistof-asymmetri, er charme. Teorien antyder, at hvis det gør, så burde effekten være lillebitte og svær at opdage.

Men LHCb-eksperimentet har nu for første gang formået at observere en sådan asymmetri i partikler kaldet D-meson - som består af charmekvarker. Dette er gjort muligt af den hidtil usete mængde charme-partikler, der produceres direkte i LHC-kollisionerne, som jeg var pioner for et årti siden. Resultatet indikerer, at chancen for, at dette er et statistisk udsving, er omkring 50 i en milliard.

Hvis denne asymmetri ikke kommer fra den samme mekanisme, der forårsager de mærkelige og nederste kvark-asymmetrier, dette efterlader plads til nye kilder til stof-antistof-asymmetri, der kan føje til den samlede sådan asymmetri i det tidlige univers. Og det er vigtigt, da de få kendte tilfælde af asymmetri ikke kan forklare, hvorfor universet indeholder så meget stof. Charmeopdagelsen alene vil ikke være tilstrækkelig til at udfylde dette hul, men det er en væsentlig puslespilsbrik i forståelsen af ​​vekselvirkningerne mellem fundamentale partikler.

Næste skridt

Opdagelsen vil blive fulgt op af et øget antal teoretiske værker, som er med til at fortolke resultatet. Men endnu vigtigere, den vil skitsere yderligere tests for at uddybe forståelsen efter vores fund – med en række sådanne tests allerede i gang.

I løbet af det kommende årti, det opgraderede LHCb-eksperiment vil øge følsomheden for denne slags målinger. Dette vil blive suppleret af det Japan-baserede Belle II-eksperiment, som lige er begyndt at virke. Det er spændende perspektiver for forskning i stof-antistof-asymmetri.

Antistof er også kernen i en række andre eksperimenter. Hele anti-atomer bliver produceret på CERNs Antiproton Decelerator, som fodrer en række eksperimenter, der udfører højpræcisionsmålinger. AMS-2-eksperimentet ombord på den internationale rumstation er på udkig efter antistof af kosmisk oprindelse. Og en række nuværende og fremtidige eksperimenter vil tage fat på spørgsmålet om, hvorvidt der er antistof-stof-asymmetri blandt neutrinoer.

Selvom vi stadig ikke helt kan løse mysteriet om universets stof-antistof-asymmetri, vores seneste opdagelse har åbnet døren til en æra med præcisionsmålinger, der har potentialet til at afdække endnu ukendte fænomener. Der er al mulig grund til at være optimistisk over, at fysikken en dag vil være i stand til at forklare, hvorfor vi overhovedet er her.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.