Waarom bestaan we? Dit is misschien wel de diepste vraag die misschien volledig buiten het bereik van de deeltjesfysica lijkt. Maar ons nieuwe experiment bij de Large Hadron Collider op CERN heeft ons dichter bij het antwoord gebracht. Om te begrijpen waarom we bestaan, moet je eerst 13,8 miljard jaar geleden gaan, in de tijd van de oerknal. Deze gebeurtenis produceerde een gelijke hoeveelheid van de stof waarvan we zijn gemaakt en antimaterie.
Er wordt aangenomen dat elk deeltje een antimateriepartner heeft, die er bijna identiek aan is, maar de tegenovergestelde lading heeft. Wanneer een deeltje en zijn antideeltje elkaar ontmoeten, vernietigen ze - verdwijnen in een lichtflits.
Waar is alle antimaterie?
Waarom het universum dat we zien volledig uit materie bestaat, is een van de grootste mysteries van de moderne fysica. Als er eens een gelijke hoeveelheid antimaterie was, zou alles in het universum vernietigen. En dus lijkt een recent gepubliceerde studie een nieuwe bron van asymmetrie tussen materie en antimaterie te hebben gevonden.
Arthur Schuster was de eerste die in 1896 over antimaterie sprak, daarna gaf Paul Dirac het in 1928 een theoretische basis en in 1932 ontdekte Karl Anderson het in de vorm van anti-elektronen, die positronen worden genoemd. Positronen worden geboren in natuurlijke radioactieve processen, zoals het verval van kalium-40. Dit betekent dat een gewone banaan (die kalium bevat) elke 75 minuten een positron afgeeft. Het vernietigt dan met elektronen in de materie en produceert licht. Medische toepassingen zoals PET-scanners produceren ook antimaterie in een vergelijkbaar proces.
De belangrijkste bouwstenen van de stof waaruit atomen zijn samengesteld, zijn elementaire deeltjes - quarks en leptonen. Er zijn zes soorten quarks: omhoog, omlaag, vreemd, gecharmeerd, waar en mooi. Evenzo zijn er zes leptonen: elektron, muon, tau en drie soorten neutrino's. Er zijn ook antimateriële kopieën van deze twaalf deeltjes, die alleen verschillen in hun lading.
Antimaterie-deeltjes zouden in principe het perfecte spiegelbeeld moeten zijn van hun normale satellieten. Maar experimenten tonen aan dat dit niet altijd het geval is. Neem bijvoorbeeld deeltjes die bekend staan als mesonen, die bestaan uit één quark en één antiquark. Neutrale mesonen hebben een verbazingwekkende eigenschap: ze kunnen spontaan transformeren in hun anti-meson en vice versa. In dit proces verandert een quark in een antiquark of een antiquark in een quark. Uit experimenten is echter gebleken dat dit in de ene richting vaker kan gebeuren dan in de andere, waardoor er in de loop van de tijd meer materie is dan antimaterie.
Promotie video:
De derde keer is magisch
Onder deeltjes die quarks bevatten, werden dergelijke asymmetrieën alleen gevonden in vreemde en mooie quarks - en deze ontdekkingen werden buitengewoon belangrijk. De allereerste waarneming van asymmetrie met vreemde deeltjes in 1964 stelde theoretici in staat het bestaan van zes quarks te voorspellen - in een tijd waarvan bekend was dat er slechts drie bestonden. De ontdekking van asymmetrie in mooie deeltjes in 2001 was de laatste bevestiging van het mechanisme dat leidde tot het six-quark-plaatje. Beide ontdekkingen leverden Nobelprijzen op.
Zowel vreemde als mooie quarks dragen negatieve elektrische ladingen. De enige positief geladen quark die in theorie deeltjes zou moeten kunnen vormen die een asymmetrie van materie en antimaterie kunnen vertonen, is de gecharmeerde. De theorie suggereert dat hij dit doet, zijn effect zou onbeduidend en moeilijk te vinden moeten zijn.
Maar het LHCb-experiment bij de Large Hadron Collider was in staat om een dergelijke asymmetrie waar te nemen in deeltjes genaamd D-mesonen, die zijn samengesteld uit gecharmeerde quarks - voor de eerste keer. Dit wordt mogelijk gemaakt door de ongekende hoeveelheid gecharmeerde deeltjes die direct bij botsingen bij de LHC worden geproduceerd. Het resultaat laat zien dat de kans dat dit een statistische fluctuatie is 50 per miljard bedraagt.
Als deze asymmetrie niet voortkomt uit hetzelfde mechanisme dat leidt tot de asymmetrieën van vreemde en mooie quarks, is er ruimte voor nieuwe bronnen van asymmetrie van materie-antimaterie, wat kan bijdragen aan de algemene asymmetrie van die in het heelal. En dit is belangrijk, aangezien verschillende bekende gevallen van asymmetrie niet kunnen verklaren waarom er zoveel materie in het universum is. De charme-quark-ontdekking alleen is niet voldoende om dit probleem op te lossen, maar het is een belangrijk stukje van de puzzel bij het begrijpen van fundamentele deeltjesinteracties.
Volgende stappen
Deze ontdekking zal worden gevolgd door een toename van het aantal theoretische werken die helpen bij de interpretatie van het resultaat. Maar wat nog belangrijker is, ze zal verdere tests schetsen om ons begrip van onze ontdekking te verdiepen - en sommige van die tests zijn al aan de gang.
In het komende decennium zal het verbeterde LHCb-experiment de gevoeligheid van dergelijke metingen vergroten. Het wordt aangevuld met het Belle II-experiment in Japan, dat nog maar net is begonnen.
Antimaterie vormt ook de kern van een aantal andere experimenten. Bij de Antiproton Moderator van CERN worden hele antiatoma's geproduceerd en ze bieden een reeks zeer nauwkeurige meetexperimenten. Experiment AMS-2 aan boord van het International Space Station is op zoek naar antimaterie uit de ruimte. Een aantal huidige en toekomstige experimenten zullen gewijd zijn aan de vraag of er een materie-antimaterie-asymmetrie bestaat tussen neutrino's.
Hoewel we het mysterie van de asymmetrie van materie en antimaterie nog steeds niet volledig kunnen ontrafelen, opende onze laatste ontdekking de deur naar een tijdperk van nauwkeurige metingen die nog onbekende verschijnselen kunnen onthullen. Er is alle reden om aan te nemen dat natuurkundigen ooit zullen kunnen uitleggen waarom we überhaupt hier zijn.
Ilya Khel
