Hvorfor Universet har mer materie enn antimaterie?

Hvorfor vi eksisterer? Dette er kanskje den mest dyptgripende spørsmål som kan virke utover elementær partikkelfysikk. Men våre nye på Large hadron Collider på CERN har ført oss nærmere svaret. For å forstå hvorfor vi eksisterer, må du først gå med 13,8 milliarder år siden, i den tiden av Big Bang. Denne hendelsen er gjort lik mengden av stoffet som vi består av, og antimaterie.

Det er antatt at hver partikkel har en partner av antimaterie, som er nesten identiske, men har motsatt ladning. Når en partikkel og dens antiparticle møte, de tilintetgjøre — forsvinner i en lysstråle.

Hvor er alle antimaterie?

Hvorfor universet vi ser utelukkende består av materie, det er en av de største mysteriene i moderne fysikk. Hvis noen gang var det en lik mengde av antimaterie, alt i Universet ville bli utslettet. Og nå, en nylig publisert studie ser ut til å ha funnet en ny kilde av asymmetri mellom materie og antimaterie.

Om antimaterie var den første til å snakke Arthur Schuster i 1896, og deretter i 1928 Paul Dirac ga henne en teoretisk begrunnelse, og i 1932 Carl Anderson fant det i form av antielectrons, kalt positrons. Positrons er født i naturlige radioaktive prosesser, f.eks. nedbrytning av kalium-40. Dette betyr at vanlig banan (inneholder kalium) avgir et positron hvert 75 minutter. Han tilintetgjøre med elektroner i saken, produsere lys. Medisinsk-programmer, for eksempel PET-skannere som også produsere antimaterie i samme prosess.

De Grunnleggende byggesteinene av materie består av atomer som er den elementære partikler — det kvarker og leptons. Det er seks typer kvarker: topp, bunn, merkelig, sjarmert, sanne og vakre. På samme måte, det er seks leptons: elektron, myon, Tau og tre neutrinos. Det er også antimaterie kopier av disse tolv partikler som er forskjellige i sin kostnad.

Partikler av antimaterie, i prinsippet, bør være en perfekt speil refleksjon av deres normale følgesvenner. Men eksperimenter har vist at dette ikke alltid er tilfelle. Ta for eksempel partikler, kjent som mesons, som består av en quark og en antiquark. Nøytral mesons har en fantastisk funksjon: de kan spontant slå inn sin anti-meson, og Vice versa. I denne prosessen, quark blir en antiquark antiquark eller quark slår inn. Men forsøk har vist at det kan oppstå oftere i en retning enn i en annen — som et resultat, kan saken blir større over tid enn antimaterie.

Tredje gang er sjarmen

Blant de partikler som inneholder kvarker, slik asymmetri ble funnet bare i merkelige og vakre kvarker — og disse funnene er svært viktig. Den første observasjonen av asymmetri som involverer merkelig partikler i 1964 tillatt teoretikere til å forutsi eksistensen av seks kvarker — i en tid da det var kjent at det er bare tre. Åpningen av den vakre asymmetri av partikler i 2001 var det endelig bekreftelse av mekanismen som førte til bildet av seks kvarker. Både discovery brakt Nobels fredspris.

Og den merkelige og vakre kvarker bære en negativ elektrisk ladning. Den eneste positivt ladet, quark, som i teorien skal være i stand til å danne partikler som kan vise til de asymmetri av materie og antimaterie er fortryllet. Teorien tilsier at han gjør det, er dens virkning skal være ubetydelig, og vanskelig å finne.

Men LHCb eksperiment på Large hadron Collider var i stand til å observere denne asymmetri i partikler som kalles D-mesons, som er sammensatt av sjarmert kvarker — for første gang. Dette ble gjort mulig takket være den enestående antall sjarmert partikler produsert i kollisjoner ved LHC. Resultatet viser at sannsynligheten for at en statistisk svingninger er 50 milliarder kroner.

Hvis asymmetrien oppstår ikke fra den samme mekanismen som fører til merkelige og vakre asymmetrier av kvarker, det er en plass for nye kilder til asymmetri sak-anti-materie, som kan legge til summen av en slik asymmetri i Universet. Og dette er viktig, som flere kjente tilfeller av asymmetri kan ikke forklare hvorfor Universet er så mye uansett. Enkel å åpne med sjarmert kvarker er ikke nok til å fylle dette problemet, men det er en viktig brikke i puslespillet for å forstå samspillet mellom fundamentale partikler.

Neste trinn

Denne åpningen vil bli etterfulgt av et økende antall teoretiske verk som er til hjelp i tolkningen av resultatet. Men enda viktigere, det vil identifisere ytterligere tester for å bedre forstå starten vår — noen av disse testene er allerede gjennomført.

I det kommende tiåret, den oppgraderte LHCb eksperimentet vil øke følsomheten av slike målinger. Det vil bli supplert med Belle II eksperiment i Japan, som bare begynner å jobbe.

Antimaterie er grunnlaget for flere andre forsøk. Hele som anti-atomer produsert på Antiproton decelerator av CERN, og de gir en rekke eksperimenter for å gjennomføre høy presisjon målingene. AMS-2 eksperimenter ombord på den Internasjonale romstasjonen, er på jakt etter antimaterie av kosmisk opprinnelse. En rekke nåværende og fremtidige eksperimenter vil bli viet til spørsmålet om asymmetri av materie-antimaterie blant neutrinos.

Mens vi ennåkan ikke helt løse mysteriet av asymmetri av materie og antimaterie, vår siste oppdagelsen åpnet døren til en æra av nøyaktige målinger som kan avdekke ukjente fenomener. Det er all grunn til å tro at en dag fysikk vil være i stand til å forklare hvorfor vi er her.

Vet Du hvorfor? Hvis du vet, fortell oss .