CERN:Hvordan undersøgte universets oprindelse ved hjælp af rekordpræcisionsmålinger

Hvad skete der i begyndelsen af ​​universet, i de allerførste øjeblikke? Sandheden er, vi ved det ikke rigtigt, fordi det kræver enorme mængder energi og præcision at genskabe og forstå kosmos på så korte tidsskalaer i laboratoriet. Men forskere ved Large Hadron Collider (LHC) ved CERN, Schweiz giver ikke op.

Nu har vores LHCb-eksperiment målt en af ​​de mindste forskel i masse mellem to partikler nogensinde, som vil give os mulighed for at opdage meget mere om vores gådefulde kosmiske oprindelse.

Standardmodellen for partikelfysik beskriver de fundamentale partikler, der udgør universet, og de kræfter, der virker mellem dem. De elementære partikler omfatter kvarker, hvoraf der er seks op, ned, mærkelig, charme, Top og bund. På samme måde er der seks "leptoner", som inkluderer elektronen, en tungere fætter kaldet muon, og den stadig tungere tau, som hver har en tilhørende neutrino. Der er også "antistofpartnere" af alle kvarker og leptoner, som er identiske partikler bortset fra en modsat ladning.

Standardmodellen er eksperimentelt verificeret til en utrolig grad af nøjagtighed, men har nogle væsentlige mangler. 13,8 milliarder år siden, universet blev skabt i Big Bang. Teorien antyder, at denne begivenhed skulle have produceret lige store mængder stof og "antistof". Men i dag, universet består næsten udelukkende af stof. Og det er heldigt, fordi antistof og stof tilintetgør i et glimt af energi, når de mødes.

Et af de største åbne spørgsmål i fysik i dag er, hvorfor er der mere stof end antistof. Var der processer på spil i det tidlige univers, der favoriserede stof frem for antistof? For at komme tættere på svaret, vi har studeret en proces, hvor stof forvandles til antistof og omvendt.

Kvarker er bundet sammen for at danne partikler kaldet baryoner - inklusive protoner og neutroner, der udgør atomkernen - eller mesoner, som består af kvark-antikvark-par. Mesoner med nul elektrisk ladning gennemgår konstant et fænomen kaldet blanding, hvorved de spontant ændrer sig til deres antistofpartikel, og omvendt. I denne proces, kvarken bliver til en anti-kvark og anti-kvarken bliver til en kvark.

Det kan gøre dette på grund af kvantemekanikken, som styrer universet på den mindste skala. Ifølge denne kontraintuitive teori, partikler kan være i mange forskellige tilstande på samme tid, i det væsentlige er en blanding af mange forskellige partikler - en funktion kaldet superposition. Det er først, når du måler dens tilstand, at den "vælger" en af ​​dem. En type meson kaldet D0, for eksempel, som indeholder charmekvarker, er i en superposition af to normale stofpartikler kaldet D1 og D2. Den hastighed, hvormed D0-mesonen bliver til sin anti-partikel og tilbage igen, en svingning, afhænger af forskellen i masser af D1 og D2.

Små masser

Det er svært at måle blanding i D0 mesoner, men det blev gjort for første gang i 2007. indtil nu, ingen har pålideligt målt masseforskellen mellem D1 og D2, der bestemmer, hvor hurtigt D0 oscillerer ind i sin antipartikel.

Vores seneste opdagelse, annonceret på Charm-konferencen, ændrer dette. Vi målte en parameter, der svarer til en masseforskel på 6,4x10 ^-6 elektronvolt (et mål for energi) eller 10 ^-38 gram - en af ​​de mindste masseforskelle mellem to partikler, der nogensinde er målt.

Vi beregnede derefter, at oscillationen mellem D0 og dens antistofpartner tager omkring 630 picosekunder (1 ps =1 milliontete milliontedel af et sekund). Det kan virke hurtigt, men D0-mesonen lever ikke længe – den er ikke stabil i laboratoriet og falder fra hinanden (henfalder) til andre partikler efter kun 0,4 picosekunder. Så det vil typisk forsvinde længe før denne oscillation opstår, udgør en seriøs eksperimentel udfordring.

Nøglen er præcision. Vi ved fra teorien, at disse svingninger følger vejen for en velkendt bølgetype (sinusformet). Måler starten af ​​bølgen meget præcist, vi kan udlede dens fulde periode, da vi kender dens form. Målingen skulle derfor nå rekordpræcision på flere fronter. Dette er gjort muligt af den hidtil usete mængde charme-partikler, der produceres ved LHC.

Men hvorfor er dette vigtigt? For at forstå, hvorfor universet producerede mindre antistof end stof, er vi nødt til at lære mere om asymmetrien i produktionen af ​​de to, en proces kendt som CP-overtrædelse. Det er allerede blevet vist, at nogle ustabile partikler henfalder på en anden måde end deres tilsvarende antistofpartikel. Dette kan have bidraget til overfloden af ​​stof i universet - med tidligere opdagelser af det, der førte til Nobelpriser.

Vi ønsker også at finde CP-overtrædelse i processen med at blande. Hvis vi starter med millioner af D0-partikler og millioner af D0-antipartikler, vil vi ende med flere D0 normale stof partikler efter nogen tid? At kende oscillationshastigheden er et vigtigt skridt mod dette mål. Selvom vi ikke fandt en asymmetri denne gang, vores resultat og yderligere præcisionsmålinger kan hjælpe os med at finde det i fremtiden.

Næste år, LHC vil tænde efter en lang nedlukning, og den nye opgraderede LHCb-detektor vil tage meget mere data, øge følsomheden af ​​disse målinger yderligere. I mellemtiden teoretiske fysikere arbejder på nye beregninger for at fortolke dette resultat. LHCb-fysikprogrammet vil også blive suppleret af Belle-II-eksperimentet i Japan. Dette er spændende udsigter til at undersøge stof-antistof-asymmetri og mesonernes svingninger.

Selvom vi endnu ikke helt kan løse universets mysterier, vores seneste opdagelse har lagt den næste brik i puslespillet. Den nye opgraderede LHCb-detektor vil åbne døren til en æra med præcisionsmålinger, der har potentialet til at afdække endnu ukendte fænomener - og måske fysik hinsides standardmodellen.

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