Hvorfor Universet har mere stof end antistof?

Hvorfor har vi eksisterer? Dette er måske den mest væsentlige spørgsmål, der kan synes uden elementarpartikelfysik. Men vores nye ved Large hadron Collider ved CERN har bragt os tættere på svaret. For at forstå, hvorfor vi eksisterer, du først nødt til at gå 13,8 milliarder år siden, i tiden fra Big Bang. Dette arrangement er lavet svarende til den mængde af stoffet, som vi består, og antistof.

Det menes, at hver partikel har en partner af antistof, som er næsten identiske, men har modsat ladning. Når en partikel og dens antiparticle mødes, vil de udslette — forsvinder i et glimt af lys.

Hvor er alle de antistof?

Hvorfor universet ser vi udelukkende består af noget, det er en af de største mysterier i moderne fysik. Hvis der nogensinde var en lige mængde antistof, alt i Universet ville blive tilintetgjort. Og nu, en nyligt offentliggjort undersøgelse synes at have fundet en ny kilde til ubalance mellem stof og antistof.

Om antistof var de første til at tale Arthur Schuster i 1896, og derefter i 1928 Paul Dirac gav hende en teoretisk begrundelse, og i 1932 Carl Anderson fandt det i form af antielectrons, kaldet deles i mindre bestanddele. Kan deles i mindre bestanddele er født i naturlige radioaktive processer, fx forfald af kalium-40. Dette betyder, at konventionelle banan (indeholder kalium) udsender en positron hver 75 minutter. Han så tilintetgøre med elektroner i sagen, der producerer lys. Medicinske anvendelser, som PET scannere, også producere antistof i den samme proces.

De Grundlæggende byggesten af stof består af atomer er de elementære partikler — kvarkerne og leptons. Der er seks typer af kvarker: top, bund, mærkelige, charmed, sande og smukke. Tilsvarende er der seks leptons: electron, muon, Tau og tre neutrinoer. Der er også antistof kopier af disse tolv partikler, der kun adskiller sig fra hinanden i deres afgift.

Partikler af antistof, i princippet bør være en perfekt spejling af deres normale ledsagere. Men forsøg viser, at dette ikke altid er tilfældet. Tag, for eksempel, de partikler kendt som mesons, der består af en kvark og en antiquark. Neutral mesons har en fantastisk funktion: de spontant kan blive til sin anti-meson, og Vice versa. I denne proces, quark bliver en antiquark antiquark eller quark bliver til. Men eksperimenter har vist, at det kan forekomme mere hyppigt i den ene retning end i den anden — som et resultat, at sagen bliver større over tid end antistof.

Tredje gang er charmen

Blandt de partikler, der indeholder kvarker, sådan asymmetri blev kun fundet i mærkelige og smukke kvarker — og disse opdagelser var ekstremt vigtigt. Den første observation af den asymmetri, der involverer mærkelige partikler i 1964 gav teoretikere til at forudsige eksistensen af seks kvarker — på et tidspunkt, hvor det blev kendt, at der kun er tre. Åbningen af den smukke asymmetri af partikler i 2001 var den endelige bekræftelse af den mekanisme, der førte til, at billedet af seks kvarker. Både opdagelsen førte til Nobelprisen.

Og de mærkelige og smukke kvarkerne bærer en negativ elektrisk ladning. Kun positivt ladede quark, som i teorien burde være i stand til at danne partikler, der kan udstille den asymmetri af stof og antistof er fortryllet. Teorien antyder, at han gør sin virkning bør være ubetydelig, og svært at finde.

Men LHCb eksperiment ved Large hadron Collider var i stand til at overholde denne asymmetri i partikler kaldet D-mesons, som er sammensat af charmeret kvarker — for første gang. Dette blev gjort muligt takket være en hidtil uset række af charmeret partikler, der produceres i kollisioner ved LHC. Resultatet viser, at sandsynligheden for, at et statistisk udsving er 50 milliarder.

Hvis denne asymmetri opstår ikke fra den samme mekanisme, der fører til den mærkelige og smukke asymmetri af kvarker, der er en plads til nye kilder af asymmetri sag-anti-stof, som kan tilføje til summen af denne asymmetri i Universet. Og dette er vigtigt, da flere berømte tilfælde af asymmetri kan ikke forklare, hvorfor Universet er så meget stof. Indre åbning med charmeret kvarker er ikke nok til at fylde dette problem, men det er en vigtig brik i puslespillet i forståelsen af samspillet mellem fundamentale partikler.

Næste skridt

Denne åbning vil blive efterfulgt af et stigende antal af teoretiske værker, som kan hjælpe i fortolkningen af resultatet. Men hvad vigtigere er, vil det identificere yderligere tests til bedre at forstå vores start — og nogle af disse forsøg, der allerede er udført.

I det kommende årti opgraderet LHCb eksperiment vil øge følsomheden af sådanne målinger. Det vil blive suppleret med Belle II eksperiment i Japan, som kun begynder at arbejde.

Antistof er grundlag for flere andre eksperimenter. Hele, hvor anti-atomer, der produceres ved Antiproton decelerator af CERN, og de giver en række eksperimenter for at udføre præcise målinger. AMS-2 eksperiment om Bord på den Internationale rumstation, der er i søgning af antistof af kosmisk oprindelse. En række af de nuværende og fremtidige eksperimenter vil blive afsat til spørgsmålet om, hvorvidt den ulige fordeling af stof-antistof blandt neutrinoer.

Mens vi stadigkan ikke helt optrævle mysteriet om den ulige fordeling af stof og antistof, vores nyeste opdagelse åbnede døren til en æra af præcise målinger, der kan afdække endnu ukendte fænomener. Der er al mulig grund til at tro, at en dag fysik vil være i stand til at forklare, hvorfor vi er her.

Kender Du hvorfor? Hvis du kender, så fortæl os det .