Het is een van de grootste puzzels in de natuurkunde. Alle deeltjes waaruit de materie om ons heen bestaat, dergelijke elektronen en protonen, antimaterie-versies hebben die bijna identiek zijn, maar met gespiegelde eigenschappen zoals de tegenovergestelde elektrische lading. Wanneer een antimaterie en een materiedeeltje elkaar ontmoeten, ze vernietigen in een flits van energie.

Als antimaterie en materie werkelijk identiek zijn, maar gespiegelde kopieën van elkaar, ze hadden in de oerknal in gelijke hoeveelheden moeten worden geproduceerd. Het probleem is dat het allemaal zou hebben vernietigd. Maar vandaag, er is bijna geen antimaterie meer in het universum - het verschijnt alleen in sommige radioactieve vervalsingen en in een kleine fractie van kosmische straling. Dus wat is ermee gebeurd? Met behulp van het LHCb-experiment bij CERN om het verschil tussen materie en antimaterie te bestuderen, we hebben een nieuwe manier ontdekt waarop dit verschil kan verschijnen.

Het bestaan ​​van antimaterie werd voorspeld door de vergelijking van natuurkundige Paul Dirac die de beweging van elektronen in 1928 beschrijft. het was niet duidelijk of dit slechts een wiskundige gril was of een beschrijving van een echt deeltje. Maar in 1932 ontdekte Carl Anderson een antimateriepartner van het elektron - het positron - tijdens het bestuderen van kosmische straling die vanuit de ruimte op aarde neerregent. In de komende decennia ontdekten natuurkundigen dat alle materiedeeltjes antimateriepartners hebben.

Wetenschappers geloven dat in de zeer hete en dichte toestand kort na de oerknal, er moeten processen zijn geweest die de voorkeur gaven aan materie boven antimaterie. Hierdoor ontstond een klein overschot aan materie, en terwijl het universum afkoelde, alle antimaterie werd vernietigd, of vernietigd, door een gelijke hoeveelheid materie, waardoor er een klein overschot aan materie overblijft. En het is dit overschot dat alles vormt wat we vandaag in het universum zien.

Welke processen het overschot precies hebben veroorzaakt, is onduidelijk, en natuurkundigen zijn al tientallen jaren op zoek.

bekende asymmetrie

Het gedrag van quarks, die samen met leptonen de fundamentele bouwstenen van materie zijn, kan licht werpen op het verschil tussen materie en antimaterie. Quarks zijn er in veel verschillende soorten, of "smaken", bekend als omhoog, omlaag, charme, vreemd, onder en boven plus zes bijbehorende anti-quarks.

De up- en down-quarks vormen de protonen en neutronen in de kernen van gewone materie, en de andere quarks kunnen worden geproduceerd door processen met hoge energie, bijvoorbeeld door deeltjes te laten botsen in versnellers zoals de Large Hadron Collider bij CERN.

Deeltjes bestaande uit een quark en een anti-quark heten mesonen, en er zijn vier neutrale mesonen (B ⁰ , B ⁰ , NS ⁰ en K ⁰ ) die een fascinerend gedrag vertonen. Ze kunnen spontaan veranderen in hun antideeltjespartner en dan weer terug, een fenomeen dat voor het eerst werd waargenomen in de jaren 1960. Omdat ze onstabiel zijn, ze zullen op een bepaald moment tijdens hun oscillatie "vervallen" - uit elkaar vallen - in andere, meer stabiele deeltjes. Dit verval gebeurt iets anders voor mesonen dan voor anti-mesonen, wat in combinatie met de oscillatie betekent dat de snelheid van het verval in de tijd varieert.

De regels voor de oscillaties en het verval worden gegeven door een theoretisch raamwerk dat het Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mechanisme wordt genoemd. Het voorspelt dat er een verschil is in het gedrag van materie en antimaterie, maar een die te klein is om het overschot aan materie in het vroege heelal te genereren dat nodig is om de overvloed die we tegenwoordig zien te verklaren.

Dit geeft aan dat er iets is dat we niet begrijpen en dat het bestuderen van dit onderwerp enkele van onze meest fundamentele theorieën in de natuurkunde op de proef kan stellen.

Nieuwe natuurkunde?

Ons recente resultaat van het LHCb-experiment is een onderzoek naar neutrale B ⁰ mesonen, kijkend naar hun verval in paren geladen K-mesonen. de B ⁰ mesonen werden gecreëerd door protonen te laten botsen met andere protonen in de Large Hadron Collider, waar ze drie biljoen keer per seconde in hun anti-meson oscilleerden en terug. De botsingen creëerden ook anti-B ₀ mesonen die op dezelfde manier oscilleren, ons monsters van mesonen en anti-mesonen te geven die kunnen worden vergeleken.

We telden het aantal verval van de twee monsters en vergeleken de twee getallen, om te zien hoe dit verschil varieerde naarmate de oscillatie vorderde. Er was een klein verschil - met meer verval voor een van de B ⁰ mesonen. En voor het eerst voor B ⁰ mesonen, zagen we dat het verschil in verval, of asymmetrie, varieerde volgens de oscillatie tussen de B ⁰ meson en het anti-meson.

Naast een mijlpaal in de studie van materie-antimaterie verschillen, we waren ook in staat om de grootte van de asymmetrieën te meten. Dit kan worden vertaald in metingen van verschillende parameters van de onderliggende theorie. Het vergelijken van de resultaten met andere metingen geeft een consistentiecontrole, om te zien of de momenteel geaccepteerde theorie een juiste beschrijving van de natuur is. Aangezien de kleine voorkeur van materie boven antimaterie die we op microscopische schaal waarnemen de overweldigende overvloed aan materie die we in het universum waarnemen niet kan verklaren, het is waarschijnlijk dat ons huidige begrip een benadering is van een meer fundamentele theorie.

Het onderzoeken van dit mechanisme waarvan we weten dat het materie-antimaterie asymmetrieën kan genereren, vanuit verschillende hoeken onderzoeken, kan ons vertellen waar het probleem zit. Het bestuderen van de wereld op de kleinste schaal is onze beste kans om te begrijpen wat we op de grootste schaal zien.

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