Varför existerar vi? Detta är kanske den djupaste frågan som kan verka helt utanför partikelfysikens omfattning. Men vårt nya experiment på Large Hadron Collider på CERN har fört oss närmare svaret. För att förstå varför vi existerar måste du först gå för 13,8 miljarder år sedan, under Big Bangs tid. Denna händelse producerade en lika stor mängd av det ämne vi är gjorda av och antimateria.
Det antas att varje partikel har en antimateriell partner, som är nästan identisk med den, men har motsatt laddning. När en partikel och dess antipartikel möts förintas de - försvinner i en blixt av ljus.
Var är all antimateria?
Varför universumet vi ser är sammansatt av materia är ett av de största mysterierna i modern fysik. Om det en gång var en lika stor mängd antimateria, skulle allt i universum förstöra. Och så verkar en nyligen publicerad studie ha hittat en ny källa till asymmetri mellan materia och antimateria.
Arthur Schuster var den första som berättade om antimateria 1896, sedan 1928 Paul Dirac gav det en teoretisk grund, och 1932 upptäckte Karl Anderson det i form av anti-elektroner, som kallas positroner. Positroner föds i naturliga radioaktiva processer, till exempel förfall av kalium-40. Detta innebär att en vanlig banan (som innehåller kalium) avger en positron var 75: e minut. Den förstörs sedan med elektroner i materien och producerar ljus. Medicinska tillämpningar som PET-skannrar producerar också antimateria i en liknande process.
De viktigaste byggstenarna för ämnet som atomer består av är elementära partiklar - kvarkar och leptoner. Det finns sex slags kvarkar: upp, ner, konstigt, charmigt, sant och vackert. På samma sätt finns det sex leptoner: elektron, muon, tau och tre typer av neutrino. Det finns också antimateriella kopior av dessa tolv partiklar, som bara skiljer sig i deras laddning.
Antimateriapartiklar bör i princip vara den perfekta spegelbilden på deras normala satelliter. Men experiment visar att detta inte alltid är fallet. Ta till exempel partiklar kända som mesoner, som består av en kvark och en antikvark. Neutrala mesoner har en fantastisk funktion: de kan spontant förvandlas till sin anti-meson och vice versa. I denna process förvandlas en kvark till en antikvark eller en antikvark förvandlas till en kvark. Experiment har emellertid visat att detta kan hända oftare i en riktning än i en annan - som ett resultat av det finns mer materia över tid än antimateria.
Kampanjvideo:
Tredje gången är magisk
Bland partiklar som innehöll kvarkar sågs asymmetrier endast i konstiga och vackra kvarkar - och dessa upptäckter blev oerhört viktiga. Den allra första observationen av asymmetri som involverade konstiga partiklar 1964 tillät teoretiker att förutsäga existensen av sex kvarkar - vid en tidpunkt då bara tre var kända för att existera. Upptäckten av asymmetri i vackra partiklar 2001 var den slutliga bekräftelsen av mekanismen som ledde till sexkvarkbilden. Båda upptäckterna fick Nobelpriser.
Både konstiga och vackra kvarkar har negativa elektriska laddningar. Den enda positivt laddade kvarken som i teorin bör kunna bilda partiklar som kan uppvisa en asymmetri av materia och antimateria är den charmade. Teorin antyder att han gör detta, hans effekt bör vara obetydlig och svår att hitta.
Men LHCb-experimentet vid Large Hadron Collider kunde observera en sådan asymmetri i partiklar som kallas D mesons, som består av charmade kvarkar - för första gången. Detta möjliggörs av den oöverträffade mängden charmade partiklar som produceras direkt i kollisioner vid LHC. Resultatet visar att sannolikheten för att detta är en statistisk fluktuation är 50 per miljard.
Om denna asymmetri inte är född från samma mekanism som leder till asymmetrier av konstiga och vackra kvarkar, finns det utrymme för nya källor till asymmetri av materia-antimateria, vilket kan bidra till den allmänna asymmetrin för de i universum. Och detta är viktigt, eftersom flera kända fall av asymmetri inte kan förklara varför det finns så mycket materia i universum. Upptäckten av charmkvarken ensam räcker inte för att fylla detta problem, men det är en viktig pusselbit för att förstå grundläggande partikelinteraktioner.
Nästa steg
Upptäckten kommer att följas av en ökning av antalet teoretiska verk som hjälper till att tolka resultatet. Men ännu viktigare, hon kommer att beskriva ytterligare tester för att fördjupa vår förståelse för vår upptäckt - och några av dessa tester pågår redan.
Under det kommande decenniet kommer det uppgraderade LHCb-experimentet att öka känsligheten för sådana mätningar. Det kommer att kompletteras av Belle II-experimentet i Japan, som just har börjat.
Antimateria är också kärnan i ett antal andra experiment. Hela antiatomer produceras hos CERNs Antiproton Moderator, och de tillhandahåller en rad mycket exakta mätförsök. Experiment AMS-2 ombord på den internationella rymdstationen är på jakt efter rymden härledd antimateria. Ett antal aktuella och framtida experiment kommer att ägnas åt frågan om det finns en fråga om antimateriell asymmetri bland neutrinoer.
Även om vi fortfarande inte helt kan avslöja mysteriet med asymmetri av materia och antimateria, öppnade vår senaste upptäckten dörren till en era med exakta mätningar som kan avslöja ännu okända fenomen. Det finns all anledning att tro att fysiker en dag kommer att kunna förklara varför vi är här alls.
Ilya Khel