Het universum bestaat uit een enorme onbalans tussen materie en antimaterie. Antimaterie en materie zijn eigenlijk hetzelfde, maar hebben tegengestelde ladingen, maar er is nauwelijks antimaterie in het waarneembare heelal, inclusief de sterren en andere sterrenstelsels. In theorie, er moeten grote hoeveelheden antimaterie zijn, maar het waarneembare heelal bestaat voor het grootste deel uit materie

"We zijn hier omdat er meer materie is dan antimaterie in het universum, ", zegt professor Jens Oluf Andersen van de afdeling Natuurkunde van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU). Deze grote onbalans tussen materie en antimaterie is allemaal tastbare materie, inclusief levensvormen, bestaat, maar wetenschappers begrijpen niet waarom.

Natuurkunde gebruikt een standaardmodel om uit te leggen en te begrijpen hoe de wereld met elkaar verbonden is. Het standaardmodel is een theorie die alle deeltjes beschrijft waarmee wetenschappers vertrouwd zijn. Het is goed voor quarks, elektronen, het Higgs-deeltje en hoe ze allemaal met elkaar omgaan. Maar het standaardmodel kan niet verklaren dat de wereld bijna uitsluitend uit materie bestaat. Er moet dus iets zijn dat we nog niet begrijpen.

Wanneer antimaterie en materie elkaar ontmoeten, zij vernietigen, en het resultaat is licht en niets anders. Gegeven gelijke hoeveelheden materie en antimaterie, er zou niets overblijven als de reactie eenmaal was voltooid. Zolang we niet weten waarom er meer materie bestaat, we kunnen niet weten waarom de bouwstenen van iets anders bestaan, of. "Dit is een van de grootste onopgeloste problemen in de natuurkunde, ' zegt Andersen.

Onderzoekers noemen dit het 'baryon-asymmetrie'-probleem. Baryonen zijn subatomaire deeltjes, inclusief protonen en neutronen. Alle baryonen hebben een overeenkomstige antibaryon, wat op mysterieuze wijze zeldzaam is. Het standaardmodel van de fysica verklaart verschillende aspecten van de natuurkrachten. Het legt uit hoe atomen moleculen worden, en het verklaart de deeltjes waaruit atomen bestaan.

"Het standaardmodel van de natuurkunde omvat alle deeltjes die we kennen. Het nieuwste deeltje, het Higgs-deeltje, werd in 2012 ontdekt bij CERN, zegt Andersen. Met deze ontdekking, een belangrijk stuk viel op zijn plaats. Maar niet de laatste. Het standaardmodel werkt perfect om grote delen van het universum te verklaren, dus onderzoekers zijn geïntrigeerd als iets niet past. Baryon-asymmetrie hoort in deze categorie.

Natuurkundigen hebben hun theorieën over waarom er meer materie is, en dus waarom we onmiskenbaar bestaan. "Eén theorie is dat het al zo is sinds de oerknal, " zegt Andersen. Met andere woorden, de onbalans tussen materie en antimaterie is een basisvoorwaarde die min of meer vanaf het begin heeft bestaan.

Quarks behoren tot de kleinste bouwstenen van de natuur. Een vroeg overschot aan quarks ten opzichte van antiquarks werd gepropageerd naarmate grotere eenheden werden gevormd. Maar Andersen geeft niets om deze uitleg. "We zijn nog steeds niet blij met dat idee, omdat het ons niet veel zegt, " hij zegt.

Dus waarom was deze onbalans vanaf het begin aanwezig? Waarom waren er aanvankelijk meer quarks dan antiquarks? "In principe, het is mogelijk om asymmetrie te genereren binnen het standaardmodel van de natuurkunde, dat wil zeggen, het verschil tussen de hoeveelheid materie en antimaterie. Maar we lopen tegen twee problemen aan, ' zegt Andersen.

Allereerst, wetenschappers moeten ver terug in de tijd gaan, tot net na de oerknal toen alles begon - we hebben het over 10 picoseconden, of 10 ^-11 seconden na de oerknal.

Het tweede probleem is dat de temperatuur rond de 1 biljoen graden Kelvin moet liggen, of 10 ¹⁵ graden. Dat is verzengend - bedenk dat het oppervlak van de zon slechts ongeveer 5700 graden is. Achteloos, het is niet voldoende om baryonische materie te verklaren. "Het kan niet werken. In het standaardmodel, we hebben niet genoeg materie, Andersen zegt. "Het probleem is dat de sprong in de verwachtingswaarde van het Higgsveld te klein is, " voegt hij er ten behoeve van degenen met slechts een minimale kennis van natuurkunde aan toe.

"Het is waarschijnlijk niet alleen onze verbeelding die grenzen oplegt, maar er zijn veel mogelijkheden, ", zegt Andersen. Deze mogelijkheden moeten dus samenwerken met het standaardmodel. "Waar we echt naar op zoek zijn, is een uitbreiding van het standaardmodel. Iets wat erin past."

Noch hij, noch andere natuurkundigen twijfelen aan de juistheid van het standaardmodel. Het model wordt continu getest bij CERN en andere deeltjesversnellers. Alleen is het model nog niet compleet. Andersen en zijn collega's onderzoeken verschillende mogelijkheden om het model te laten passen bij de onbalans tussen materie en antimaterie. De laatste resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Werkelijk, we hebben het over faseovergangen, ", zegt Andersen. Zijn groep houdt zich bezig met veranderingsprocessen in de materie, zoals water dat onder veranderende omstandigheden in stoom of ijs verandert. Ze onderzoeken ook of materie is ontstaan ​​als gevolg van een elektrozwakke faseovergang (EWPT) en vlak na de oerknal een overschot aan baryonen heeft gevormd. De elektrozwakke faseovergang vindt plaats door de vorming van bellen. De nieuwe fase breidt zich uit, een beetje zoals waterbellen, en neemt het hele universum over.

Andersen en zijn collega's testten het zogenaamde "two Higgs doublet"-model (2HDM), een van de eenvoudigste uitbreidingen van het standaardmodel. Ze zochten naar mogelijke gebieden waar de juiste omstandigheden aanwezig zijn om materie te creëren. "Er bestaan ​​verschillende scenario's voor hoe de baryon-asymmetrie is ontstaan. We hebben de elektrozwakke faseovergang bestudeerd met behulp van het 2HDM-model. Deze faseovergang vindt plaats in het vroege stadium van ons universum, ' zegt Andersen.

Het proces is vergelijkbaar met kokend water. Als het water 100 graden Celsius bereikt, gasbellen vormen en stijgen op. Deze gasbellen bevatten waterdamp wat de gasfase is. Water is een vloeistof. Wanneer het in het vroege heelal overgaat van de gasfase naar de vloeibare fase tijdens een proces waarin het heelal uitdijt en afkoelt, er wordt een overschot aan quarks geproduceerd in vergelijking met antiquarks, het genereren van de baryon-asymmetrie.

Tenslotte, de onderzoekers doen ook aan wiskunde. Om de modellen synchroon te laten werken, parameters of numerieke waarden moeten passen zodat beide modellen tegelijkertijd gelijk hebben. Het werk gaat dus over het vinden van deze parameters. In het meest recente artikel in Fysieke beoordelingsbrieven , Andersen en zijn collega's vernauwden het wiskundige gebied waarin materie kan worden gecreëerd en komen tegelijkertijd overeen met beide modellen. Ze hebben nu de mogelijkheden verkleind.

"Om ervoor te zorgen dat het nieuwe model (2HDM) overeenkomt met wat we al weten van CERN, bijvoorbeeld, de parameters in het model kunnen niet zomaar iets zijn. Anderzijds, om voldoende baryon-asymmetrie te kunnen produceren, de parameters moeten ook binnen een bepaald bereik liggen. Daarom proberen we het parameterbereik te verkleinen. Maar dat is nog ver weg, " zegt Andersen. In ieder geval, de onderzoekers hebben een beetje vooruitgang geboekt op weg om te begrijpen waarom wij en al het andere hier zijn.