Wat gebeurde er aan het begin van het heelal, op de allereerste momenten? De waarheid is, we weten het niet echt, omdat het enorme hoeveelheden energie en precisie kost om de kosmos op zo'n korte tijdschaal in het laboratorium na te bootsen en te begrijpen. Maar wetenschappers van de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN, Zwitserland geeft niet op.

Nu heeft ons LHCb-experiment een van de kleinste massaverschillen tussen twee deeltjes ooit gemeten, waardoor we veel meer kunnen ontdekken over onze raadselachtige kosmische oorsprong.

Het standaardmodel van deeltjesfysica beschrijft de fundamentele deeltjes waaruit het universum bestaat, en de krachten die daartussen werken. De elementaire deeltjes omvatten quarks, waarvan er zes-up, omlaag, vreemd, charme, top en bodem. Evenzo zijn er zes "leptonen", waaronder het elektron, een zwaardere neef genaamd de muon, en de nog zwaardere tau, die elk een bijbehorend neutrino hebben. Er zijn ook "antimateriepartners" van alle quarks en leptonen die identieke deeltjes zijn, afgezien van een tegengestelde lading.

Het standaardmodel is experimenteel geverifieerd tot een ongelooflijke mate van nauwkeurigheid, maar heeft enkele belangrijke tekortkomingen. 13,8 miljard jaar geleden, het heelal is ontstaan ​​in de oerknal. De theorie suggereert dat deze gebeurtenis gelijke hoeveelheden materie en "antimaterie" zou hebben geproduceerd. Maar vandaag, het heelal bestaat bijna volledig uit materie. En dat is een geluk, omdat antimaterie en materie in een flits van energie vernietigen wanneer ze elkaar ontmoeten.

Een van de grootste open vragen in de natuurkunde van vandaag is waarom er meer materie is dan antimaterie. Waren er processen in het vroege heelal die de voorkeur gaven aan materie boven antimaterie? Om dichter bij het antwoord te komen, we hebben een proces bestudeerd waarbij materie verandert in antimaterie en vice versa.

Quarks zijn aan elkaar gebonden om deeltjes te vormen die baryonen worden genoemd - inclusief de protonen en neutronen waaruit de atoomkern bestaat - of mesonen, die bestaan ​​uit quark-antiquark-paren. Mesonen zonder elektrische lading ondergaan voortdurend een fenomeen dat vermenging wordt genoemd, waardoor ze spontaan veranderen in hun antimateriedeeltje, en vice versa. In dit proces, de quark verandert in een anti-quark en de anti-quark verandert in een quark.

Het kan dit doen dankzij de kwantummechanica, die het universum op de kleinste schaal regeert. Volgens deze contra-intuïtieve theorie, deeltjes kunnen tegelijkertijd in veel verschillende toestanden zijn, in wezen een mix van veel verschillende deeltjes - een functie die superpositie wordt genoemd. Het is pas wanneer je de staat ervan meet dat het een van hen "plukt". Een type meson genaamd D0, bijvoorbeeld, die charm-quarks bevat, bevindt zich in een superpositie van twee normale materiedeeltjes genaamd D1 en D2. De snelheid waarmee het D0-meson verandert in zijn antideeltje en weer terug, een oscillatie, hangt af van het verschil in massa van D1 en D2.

Kleine massa's

Het is moeilijk om de menging in D0-mesonen te meten, maar het werd voor het eerst gedaan in 2007. tot nu, niemand heeft betrouwbaar het massaverschil tussen D1 en D2 gemeten dat bepaalt hoe snel de D0 in zijn antideeltje oscilleert.

Onze nieuwste ontdekking, aangekondigd op de Charm-conferentie, verandert dit. We hebben een parameter gemeten die overeenkomt met een massaverschil van 6,4x10 ^-6 elektron Volt (een maat voor energie) of 10 ^-38 gram - een van de kleinste massaverschillen tussen twee deeltjes die ooit zijn gemeten.

Vervolgens hebben we berekend dat de oscillatie tussen de D0 en zijn antimateriepartner ongeveer 630 picoseconden duurt (1 ps =1 miljoenste miljoenste van een seconde). Dit lijkt misschien snel, maar het D0-meson leeft niet lang - het is niet stabiel in het laboratorium en valt uit elkaar (vervalt) in andere deeltjes na slechts 0,4 picoseconde. Dus het zal meestal verdwijnen lang voordat deze oscillatie optreedt, een serieuze experimentele uitdaging vormen.

De sleutel is precisie. Uit de theorie weten we dat deze trillingen het pad volgen van een bekend type golf (sinusvormig). Het begin van de golf zeer nauwkeurig meten, we kunnen zijn volledige periode afleiden zoals we zijn vorm kennen. De meting moest daarom op meerdere fronten een recordprecisie bereiken. Dit wordt mogelijk gemaakt door de ongekende hoeveelheid charmedeeltjes die bij de LHC worden geproduceerd.

Maar waarom is dit belangrijk? Om te begrijpen waarom het universum minder antimaterie dan materie produceerde, moeten we meer leren over de asymmetrie in de productie van de twee, een proces dat bekend staat als CP-schending. Er is al aangetoond dat sommige onstabiele deeltjes op een andere manier vervallen dan hun corresponderende antimateriedeeltje. Dit kan hebben bijgedragen aan de overvloed aan materie in het universum - met eerdere ontdekkingen ervan die tot Nobelprijzen hebben geleid.

Ook in het proces van vermenging willen we CP-schending vinden. Als we beginnen met miljoenen D0-deeltjes en miljoenen D0-antideeltjes, krijgen we na verloop van tijd meer D0-deeltjes van normale materie? Het kennen van de oscillatiesnelheid is een belangrijke stap in de richting van dit doel. Hoewel we deze keer geen asymmetrie hebben gevonden, ons resultaat en verdere precisiemetingen kunnen ons helpen het in de toekomst te vinden.

Volgend jaar, de LHC wordt ingeschakeld na een lange uitschakeling en de nieuwe, opgewaardeerde LHCb-detector zal veel meer gegevens nodig hebben, de gevoeligheid van deze metingen verder te vergroten. In de tussentijd, theoretische fysici werken aan nieuwe berekeningen om dit resultaat te interpreteren. Het LHCb-fysicaprogramma zal ook worden aangevuld met het Belle-II-experiment in Japan. Dit zijn opwindende vooruitzichten voor het onderzoeken van materie-antimaterie asymmetrie en de oscillaties van mesonen.

Hoewel we de mysteries van het universum nog niet volledig kunnen oplossen, onze nieuwste ontdekking heeft het volgende stukje in de puzzel gelegd. De nieuwe geüpgradede LHCb-detector opent de deur naar een tijdperk van precisiemetingen die het potentieel hebben om nog onbekende fenomenen aan het licht te brengen - en misschien fysica die verder gaat dan het standaardmodel.

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