Natuurkundigen van het College of Arts and Sciences van de Universiteit van Syracuse hebben bevestigd dat materie en antimaterie verschillend vervallen voor elementaire deeltjes die gecharmeerde quarks bevatten.

De vooraanstaande professor Sheldon Stone zegt dat de bevindingen een primeur zijn, hoewel materie-antimaterie-asymmetrie eerder is waargenomen in deeltjes met vreemde quarks of schoonheidsquarks.

Hij en leden van de High-Energy Physics (HEP) onderzoeksgroep van het College hebben gemeten, voor het eerst en met 99,999 procent zekerheid, een verschil in de manier waarop D ⁰ mesonen en anti-D ⁰ mesonen worden omgezet in stabielere bijproducten.

Mesonen zijn subatomaire deeltjes bestaande uit één quark en één antiquark, verbonden door sterke interacties.

"Er zijn veel pogingen gedaan om de asymmetrie tussen materie en antimaterie te meten, maar, tot nu, niemand is erin geslaagd " zegt Steen, die meewerkt aan het Large Hadron Collider beauty-experiment (LHCb) in het CERN-laboratorium in Genève, Zwitserland. "Het is een mijlpaal in het onderzoek naar antimaterie."

De bevindingen kunnen ook wijzen op nieuwe fysica buiten het standaardmodel, die beschrijft hoe fundamentele deeltjes met elkaar omgaan. "Tot dan, we moeten wachten op theoretische pogingen om de waarneming op minder esoterische wijze te verklaren, " hij voegt toe.

Elk materiedeeltje heeft een corresponderend antideeltje, in alle opzichten identiek, maar met een tegengestelde lading. Precisiestudies van waterstof- en antiwaterstofatomen, bijvoorbeeld, overeenkomsten met meer dan de miljardste decimaal te onthullen.

Wanneer materie en antimateriedeeltjes met elkaar in contact komen, ze vernietigen elkaar in een uitbarsting van energie - vergelijkbaar met wat er gebeurde in de oerknal, zo'n 14 miljard jaar geleden.

"Daarom is er zo weinig natuurlijk voorkomende antimaterie in het heelal om ons heen, " zegt Steen, een Fellow van de American Physical Society, die hem dit jaar de W.K.H. Panofsky-prijs voor experimentele deeltjesfysica.

De vraag die Stone bezighoudt, betreft de gelijkwaardige maar tegengestelde aard van materie en antimaterie. "Als dezelfde hoeveelheid materie en antimaterie zou exploderen bij de geboorte van het heelal, er had niets anders moeten zijn dan pure energie. Blijkbaar, dat is niet gebeurd, ' zegt hij met een vleugje understatement.

Dus, Stone en zijn LHCb-collega's hebben gezocht naar subtiele verschillen in materie en antimaterie om te begrijpen waarom materie zo veel voorkomt.

Het antwoord ligt misschien bij CERN, waar wetenschappers antimaterie creëren door protonen tegen elkaar te slaan in de Large Hadron Collider (LHC), 's werelds grootste, krachtigste specifieke versneller. Hoe meer energie de LHC produceert, des te massiever zijn de deeltjes - en antideeltjes - die tijdens een botsing worden gevormd.

Het is in het puin van deze botsingen dat wetenschappers zoals Ivan Polyakov, een postdoc in de HEP-groep van Syracuse, jagen op deeltjes ingrediënten.

"We zien geen antimaterie in onze wereld, dus we moeten het kunstmatig produceren, "zegt hij. "De gegevens van deze botsingen stellen ons in staat om het verval en de transformatie van onstabiele deeltjes in stabielere bijproducten in kaart te brengen."

HEP staat bekend om zijn baanbrekende onderzoek naar quarks - elementaire deeltjes die de bouwstenen van materie zijn. Er zijn zes soorten, of smaken, van quarks, maar wetenschappers praten er meestal in paren over:omhoog/omlaag, charme/vreemd en boven/onder. Elk paar heeft een overeenkomstige massa en fractionele elektronische lading.

Naast de beauty-quark (de "b" in "LHCb"), HEP is geïnteresseerd in de charmed quark. Ondanks zijn relatief hoge massa, een gecharmeerde quark leeft een vluchtig bestaan ​​voordat hij vervalt in iets stabielers.

Onlangs, HEP bestudeerde twee versies van hetzelfde deeltje. Eén versie bevatte een charmed quark en een antimaterieversie van een up-quark, de anti-up-quark genoemd. De andere versie had een anti-charm-quark en een up-quark.

Met behulp van LHC-gegevens, ze identificeerden beide versies van het deeltje, tot in de tientallen miljoenen, en telde het aantal keren dat elk deeltje verviel tot nieuwe bijproducten.

"De verhouding van de twee mogelijke uitkomsten zou identiek moeten zijn voor beide sets deeltjes, maar we ontdekten dat de verhoudingen ongeveer een tiende van een procent verschilden, Stone zegt. "Dit bewijst dat gecharmeerde materie en antimateriedeeltjes niet helemaal uitwisselbaar zijn."

voegt Polyakov toe, "Deeltjes zien er misschien hetzelfde uit aan de buitenkant, maar van binnen gedragen ze zich anders. Dat is de puzzel van antimaterie."

Het idee dat materie en antimaterie zich anders gedragen is niet nieuw. Eerdere studies van deeltjes met vreemde quarks en bottom-quarks hebben dit bevestigd.

Wat deze studie uniek maakt, Steen concludeert, is dat het de eerste keer is dat iemand getuige is geweest van deeltjes met gecharmeerde quarks die asymmetrisch zijn:"Het is er een voor de geschiedenisboeken."