Waarom bestaan ​​we? Dit is misschien wel de meest diepgaande vraag die er is en een die misschien volledig buiten het bereik van de deeltjesfysica lijkt. Maar ons nieuwe experiment bij CERN's Large Hadron Collider heeft ons een stap dichter bij het uitzoeken ervan gebracht.

Om te begrijpen waarom, laten we zo'n 13,8 miljard jaar teruggaan in de tijd naar de oerknal. Deze gebeurtenis produceerde gelijke hoeveelheden van de materie waaruit je bestaat en iets dat antimaterie wordt genoemd. Er wordt aangenomen dat elk deeltje een antimaterie-metgezel heeft die vrijwel identiek is aan zichzelf, maar met de tegenovergestelde lading. Wanneer een deeltje en zijn antideeltje elkaar ontmoeten, ze vernietigen elkaar - verdwijnen in een uitbarsting van licht.

Waarom het universum dat we vandaag zien volledig uit materie bestaat, is een van de grootste mysteries van de moderne natuurkunde. Als er ooit een gelijke hoeveelheid antimaterie was geweest, alles in het universum zou zijn vernietigd. Ons onderzoek heeft een nieuwe bron van deze asymmetrie tussen materie en antimaterie aan het licht gebracht.

Antimaterie werd voor het eerst gepostuleerd door Arthur Schuster in 1896, in 1928 theoretisch gefundeerd door Paul Dirac, en ontdekt in de vorm van anti-elektronen, nagesynchroniseerde positronen, door Carl Anderson in 1932. De positronen komen voor in natuurlijke radioactieve processen, zoals bij het verval van Kalium-40. Dit betekent dat je gemiddelde banaan (die kalium bevat) elke 75 minuten een positron afgeeft. Deze annihileren vervolgens met materie-elektronen om licht te produceren. Medische toepassingen zoals PET-scanners produceren in hetzelfde proces antimaterie.

De fundamentele bouwstenen van materie waaruit atomen bestaan, zijn elementaire deeltjes die quarks en leptonen worden genoemd. Er zijn zes soorten quarks:up, omlaag, vreemd, charme, onder en boven. evenzo, er zijn zes leptonen:het elektron, muon, tau en de drie neutrino's. Er zijn ook antimaterie-kopieën van deze twaalf deeltjes die alleen verschillen in hun lading.

Antimateriedeeltjes zouden in principe perfecte spiegelbeelden moeten zijn van hun normale metgezellen. Maar experimenten tonen aan dat dit niet altijd het geval is. Neem bijvoorbeeld deeltjes die bekend staan ​​als mesonen, die zijn gemaakt van een quark en een anti-quark. Neutrale mesonen hebben een fascinerende eigenschap:ze kunnen spontaan veranderen in hun anti-meson en omgekeerd. In dit proces, de quark verandert in een anti-quark of de anti-quark verandert in een quark. Maar experimenten hebben aangetoond dat dit meer in de ene richting kan gebeuren dan in de tegenovergestelde - waardoor er in de loop van de tijd meer materie dan antimaterie ontstaat.

Derde keer is een charme

Onder deeltjes die quarks bevatten, alleen die met vreemde en onderste quarks bleken dergelijke asymmetrieën te vertonen - en dit waren enorm belangrijke ontdekkingen. De allereerste waarneming van asymmetrie met vreemde deeltjes in 1964 stelde theoretici in staat om het bestaan ​​van zes quarks te voorspellen - in een tijd dat er maar drie bekend waren. De ontdekking van asymmetrie in bodemdeeltjes in 2001 was de definitieve bevestiging van het mechanisme dat leidde tot het zes-quarkbeeld. Beide ontdekkingen leidden tot Nobelprijzen.

Zowel de vreemde als de onderste quark hebben een negatieve elektrische lading. De enige positief geladen quark die in theorie deeltjes zou moeten kunnen vormen die materie-antimaterie-asymmetrie kunnen vertonen, is charme. De theorie suggereert dat als dat zo is, dan zou het effect klein en moeilijk te detecteren moeten zijn.

Maar het LHCb-experiment is er nu voor het eerst in geslaagd een dergelijke asymmetrie waar te nemen in deeltjes genaamd D-meson, die uit charm-quarks bestaan. Dit wordt mogelijk gemaakt door de ongekende hoeveelheid charmedeeltjes die direct in de LHC-botsingen worden geproduceerd, waarmee ik een decennium geleden pionierde. Het resultaat geeft aan dat de kans dat dit een statistische fluctuatie is ongeveer 50 op een miljard is.

Als deze asymmetrie niet afkomstig is van hetzelfde mechanisme dat de vreemde en onderste quark-asymmetrieën veroorzaakt, dit laat ruimte voor nieuwe bronnen van materie-antimaterie-asymmetrie die kunnen bijdragen aan de totale dergelijke asymmetrie in het vroege heelal. En dat is belangrijk omdat de weinige bekende gevallen van asymmetrie niet kunnen verklaren waarom het universum zoveel materie bevat. De ontdekking van charme alleen zal niet voldoende zijn om deze leemte op te vullen, maar het is een essentieel puzzelstukje in het begrijpen van de interacties van fundamentele deeltjes.

Volgende stappen

De ontdekking zal worden gevolgd door een groter aantal theoretische werken, die helpen bij het interpreteren van het resultaat. Maar belangrijker, het zal verdere tests schetsen om het begrip na onze bevinding te verdiepen - met een aantal van dergelijke tests die al aan de gang zijn.

In het komende decennium zal het opgewaardeerde LHCb-experiment zal de gevoeligheid voor dit soort metingen verhogen. Dit wordt aangevuld met het in Japan gevestigde Belle II-experiment, die net begint te werken. Dit zijn opwindende vooruitzichten voor onderzoek naar asymmetrie tussen materie en antimaterie.

Antimaterie vormt ook de kern van een aantal andere experimenten. Hele anti-atomen worden geproduceerd bij CERN's Antiproton Decelerator, die een aantal experimenten voedt die zeer nauwkeurige metingen uitvoeren. Het AMS-2-experiment aan boord van het internationale ruimtestation ISS is op zoek naar antimaterie van kosmische oorsprong. En een aantal huidige en toekomstige experimenten zullen de vraag behandelen of er antimaterie-materie asymmetrie is tussen neutrino's.

Hoewel we het mysterie van de materie-antimaterie-asymmetrie van het universum nog steeds niet volledig kunnen oplossen, onze laatste ontdekking heeft de deur geopend naar een tijdperk van precisiemetingen die het potentieel hebben om nog onbekende fenomenen aan het licht te brengen. Er is alle reden om optimistisch te zijn dat de natuurkunde ooit zal kunnen verklaren waarom we hier zijn.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.