Opdagelsen kaster lys over det store mysterium om, hvorfor universet har mindre antistof end stof

Det er en af ​​de største gåder i fysik. Alle de partikler, der udgør stoffet omkring os, sådanne elektroner og protoner, har antistof-versioner, der er næsten identiske, men med spejlede egenskaber såsom den modsatte elektriske ladning. Når et antistof og en stofpartikel mødes, de tilintetgør i et glimt af energi.

Hvis antistof og stof virkelig er identiske, men spejlede kopier af hinanden, de skulle være produceret i lige store mængder i Big Bang. Problemet er, at det ville have gjort det hele tilintetgjort. Men i dag, der er næsten ingen antistof tilbage i universet – det optræder kun i nogle radioaktive henfald og i en lille brøkdel af kosmiske stråler. Så hvad skete der med det? Ved at bruge LHCb-eksperimentet på CERN til at studere forskellen mellem stof og antistof, vi har opdaget en ny måde, hvorpå denne forskel kan fremstå.

Eksistensen af ​​antistof blev forudsagt af fysikeren Paul Diracs ligning, der beskrev elektronernes bevægelse i 1928. Først det var ikke klart, om dette kun var en matematisk særhed eller en beskrivelse af en rigtig partikel. Men i 1932 opdagede Carl Anderson en antistofpartner til elektronen - positronen - mens han studerede kosmiske stråler, der regner ned på Jorden fra rummet. I løbet af de næste par årtier fandt fysikere ud af, at alle stofpartikler har antistofpartnere.

Forskere mener, at i den meget varme og tætte tilstand kort efter Big Bang, der må have været processer, der gav fortrinsret til stof frem for antistof. Dette skabte et lille overskud af stof, og da universet afkølede, alt antistof blev ødelagt, eller tilintetgjort, med en lige stor mængde stof, efterlader et lille overskud af stof. Og det er dette overskud, der udgør alt, hvad vi ser i universet i dag.

Præcis hvilke processer der forårsagede overskuddet er uklart, og fysikere har været på udkig i årtier.

Kendt asymmetri

kvarkers adfærd, som er de grundlæggende byggesten i stof sammen med leptoner, kan kaste lys over forskellen mellem stof og antistof. Quarks findes i mange forskellige slags, eller "smag", kendt som op, ned, charme, mærkelig, bund og top plus seks tilsvarende anti-kvarker.

Op- og ned-kvarkerne er det, der udgør protonerne og neutronerne i kernerne i almindeligt stof, og de andre kvarker kan produceres ved højenergiprocesser - for eksempel ved at kollidere partikler i acceleratorer såsom Large Hadron Collider ved CERN.

Partikler bestående af en kvark og en anti-kvark kaldes mesoner, og der er fire neutrale mesoner (B ⁰ , B ⁰ , D ⁰ og K ⁰ ), der udviser en fascinerende adfærd. De kan spontant blive deres antipartikelpartner og så tilbage igen, et fænomen, der blev observeret for første gang i 1960'erne. Da de er ustabile, de vil "henfalde" - falde fra hinanden - til andre mere stabile partikler på et tidspunkt under deres svingning. Dette henfald sker lidt anderledes for mesoner sammenlignet med anti-mesoner, hvilket kombineret med oscillationen betyder, at henfaldshastigheden varierer over tid.

Reglerne for oscillationerne og henfaldene er givet af en teoretisk ramme kaldet Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mekanismen. Den forudsiger, at der er forskel i opførsel af stof og antistof, men en, der er for lille til at generere det overskud af stof i det tidlige univers, der kræves for at forklare den overflod, vi ser i dag.

Dette indikerer, at der er noget, vi ikke forstår, og at studiet af dette emne kan udfordre nogle af vores mest fundamentale teorier inden for fysik.

Ny fysik?

Vores seneste resultat fra LHCb-eksperimentet er en undersøgelse af neutral B ⁰ mesoner, ser på deres henfald i par af ladede K mesoner. B ⁰ Mesoner blev skabt ved at kollidere protoner med andre protoner i Large Hadron Collider, hvor de oscillerede ind i deres anti-meson og tilbage tre billioner gange i sekundet. Sammenstødene skabte også anti-B ₀ mesoner, der svinger på samme måde, giver os prøver af mesoner og anti-mesoner, der kunne sammenlignes.

Vi talte antallet af henfald fra de to prøver og sammenlignede de to tal, for at se, hvordan denne forskel varierede, efterhånden som oscillationen skred frem. Der var en lille forskel - med flere henfald, der skete for en af ​​B ⁰ mesoner. Og for første gang for B ⁰ mesoner, vi observerede, at forskellen i henfald, eller asymmetri, varieret i henhold til svingningen mellem B ⁰ meson og anti-meson.

Ud over at være en milepæl i studiet af stof-antistof forskelle, vi var også i stand til at måle størrelsen af ​​asymmetrierne. Dette kan oversættes til målinger af flere parametre i den bagvedliggende teori. Sammenligning af resultaterne med andre målinger giver en konsistenskontrol, for at se, om den aktuelt accepterede teori er en korrekt beskrivelse af naturen. Da den lille præference af stof frem for antistof, som vi observerer på mikroskopisk skala, ikke kan forklare den overvældende overflod af stof, som vi observerer i universet, det er sandsynligt, at vores nuværende forståelse er en tilnærmelse af en mere fundamental teori.

Undersøgelse af denne mekanisme, som vi ved kan generere stof-antistof-asymmetrier, undersøger det fra forskellige vinkler, kan fortælle os, hvor problemet ligger. At studere verden i den mindste skala er vores bedste chance for at kunne forstå, hvad vi ser i den største skala.

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