Hvorfor findes vi? Dette er måske det dybeste spørgsmål, der kan synes helt uden for partikelfysikens anvendelsesområde. Men vores nye eksperiment i Large Hadron Collider ved CERN har bragt os tættere på svaret. For at forstå, hvorfor vi findes, skal du først gå for 13,8 milliarder år siden, i Big Bangs tid. Denne begivenhed producerede en lige stor mængde af det stof, vi er lavet af og antimatter.
Det antages, at hver partikel har en antimateriell partner, som næsten er identisk med den, men har den modsatte ladning. Når en partikel og dens antipartikel mødes, udslettes de - forsvinder i et lysglimt.
Hvor er alt antimateriet?
Hvorfor universet, vi ser, udelukkende er sammensat af stof, er et af de største fysiske mysterier. Hvis der engang var en lige så stor antimaterie, ville alt i universet udslette. Og så synes en nyligt offentliggjort undersøgelse at have fundet en ny kilde til asymmetri mellem stof og antimaterie.
Arthur Schuster var den første, der talte om antimateriale i 1896, derefter i 1928 gav Paul Dirac det et teoretisk grundlag, og i 1932 opdagede Karl Anderson det i form af anti-elektroner, der kaldes positroner. Positroner fødes i naturlige radioaktive processer, såsom forfald af kalium-40. Dette betyder, at en almindelig banan (der indeholder kalium) udsender en positron hvert 75. minut. Dernæst ødelægges det med elektroner i stof og producerer lys. Medicinske applikationer som PET-scannere producerer også antimaterie i en lignende proces.
De vigtigste byggesten til det stof, som atomer er sammensat af, er elementære partikler - kvarker og leptoner. Der er seks slags kvarker: op, ned, mærkelig, charmeret, sand og smuk. Ligeledes er der seks leptoner: elektron, muon, tau og tre typer neutrinoer. Der er også antimateriale kopier af disse tolv partikler, som kun adskiller sig i deres ladning.
Antimateriepartikler skal i princippet være det perfekte spejlbillede af deres normale satellitter. Men eksperimenter viser, at dette ikke altid er tilfældet. Tag for eksempel partikler kendt som mesoner, der består af en kvark og en antikvarm. Neutrale mesoner har en forbløffende funktion: de kan spontant omdanne til deres anti-meson og vice versa. I denne proces forvandles en kvark til en antikvark, eller en antikvark forvandles til en kvark. Eksperimenter har imidlertid vist, at dette kan ske oftere i en retning end i en anden - som et resultat, hvor der er mere stof over tid end antimaterie.
Salgsfremmende video:
Den tredje gang er magisk
Blandt partikler indeholdende kvarker fandtes sådanne asymmetrier kun i mærkelige og smukke kvarker - og disse opdagelser blev ekstremt vigtige. 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 smukke partikler i 2001 var den endelige bekræftelse af den mekanisme, der førte til billedet med seks kvark. Begge opdagelser vandt Nobelpriser.
Både mærkelige og smukke kvarker bærer negative elektriske ladninger. Den eneste positivt ladede kvark, der i teorien skal være i stand til at danne partikler, der kan udvise en asymmetri af stof og antimaterie, er den charmerede. Teorien antyder, at han gør dette, hans virkning skal være ubetydelig og vanskelig at finde.
Men LHCb-eksperimentet ved Large Hadron Collider var i stand til at observere en sådan asymmetri i partikler kaldet D mesons, som er sammensat af charmerede kvarker - for første gang. Dette muliggøres af den hidtil uset mængde charmede partikler produceret direkte i kollisioner på LHC. Resultatet viser, at sandsynligheden for, at dette er en statistisk udsving, er 50 pr. Milliard.
Hvis denne asymmetri ikke er født fra den samme mekanisme, der fører til asymmetrier af mærkelige og smukke kvarker, er der plads til nye kilder til asymmetri af materie-antimaterie, som kan tilføje den generelle asymmetri af dem i universet. Og dette er vigtigt, da flere kendte tilfælde af asymmetri ikke kan forklare, hvorfor der er så meget stof i universet. Charme Quark-opdagelsen alene vil ikke være nok til at udfylde dette problem, men det er et vigtigt stykke af puslespillet til forståelse af grundlæggende partikelinteraktioner.
Næste skridt
Denne opdagelse vil blive efterfulgt af en stigning i antallet af teoretiske værker, der hjælper med at fortolke resultatet. Men endnu vigtigere er, at hun vil skitsere yderligere test for at uddybe vores forståelse af vores opdagelse - og nogle af disse tests er allerede i gang.
I det kommende årti øger det opgraderede LHCb-eksperiment følsomheden ved sådanne målinger. Det vil blive suppleret med Belle II-eksperimentet i Japan, som lige er startet.
Antimaterie er også kernen i en række andre eksperimenter. Hele antiatomer produceres hos CERNs Antiproton Moderator, og de leverer en række meget nøjagtige måleeksperimenter. Eksperiment AMS-2 ombord på den internationale rumstation er på jagt efter rumafledt antimaterie. Et antal aktuelle og fremtidige eksperimenter vil blive afsat til spørgsmålet om, hvorvidt der er en sag-antimateriel asymmetri blandt neutrinoer.
Selvom vi stadig ikke fuldt ud kan afsløre mysteriet med asymmetri af stof og antimaterie, åbnede vores seneste opdagelse døren til en æra med præcise målinger, der kan afsløre endnu ukendte fænomener. Der er al grund til at tro, at fysikere en dag vil være i stand til at forklare, hvorfor vi overhovedet er her.
Ilya Khel