Zakaj obstajamo? To je morda najgloblje vprašanje, ki se morda zdi popolnoma izven fizike delcev. Toda naš novi poskus na velikem hadronskem trkalniku v CERN-u nas je približal odgovoru. Če želite razumeti, zakaj obstajamo, morate najprej v čas velikega poka, pred 13,8 milijarde let. Ta dogodek je ustvaril enako količino snovi, iz katere smo izdelani, in antimaterije.
Verjame se, da ima vsak delček antimaterijskega partnerja, ki je skoraj enak njemu, vendar ima nasproten naboj. Ko se delček in njegov delček srečata, izničita - izgineta v blisku svetlobe.
Kje je vsa antimaterija?
Zakaj je vesolje, ki ga vidimo v celoti sestavljeno iz materije, ena največjih skrivnosti sodobne fizike. Če bi bila nekoč enaka količina antimaterije, bi se vse v vesolju uničilo. In zdi se, da je nedavno objavljena študija našla nov vir asimetrije med materijo in antimaterijo.
Arthur Schuster je prvi govoril o antimateriji leta 1896, nato je leta 1928 Paul Dirac dal teoretično osnovo, leta 1932 pa jo je Karl Anderson odkril v obliki anti-elektronov, ki se imenujejo pozitroni. Pozitroni se rodijo v naravnih radioaktivnih procesih, kot je razpad kalija-40. To pomeni, da navadna banana (ki vsebuje kalij) odda vsakih 75 minut v pozitron. Nato se uniči z elektroni v materiji in proizvaja svetlobo. Medicinske aplikacije, kot so PET skenerji, v podobnem postopku proizvajajo tudi antimaterijo.
Glavni gradniki snovi, iz katere so sestavljeni atomi, so osnovni delci - kvarki in leptoni. Obstaja šest vrst kvarkov: gor, dol, čudno, očarljivo, resnično in lepo. Prav tako obstaja šest leptonov: elektron, muon, tau in tri vrste nevtrinov. Obstajajo tudi antimaterialne kopije teh dvanajstih delcev, ki se razlikujejo le po naboju.
Delci antimaterije naj bi bili načeloma popolna zrcalna slika njihovih običajnih satelitov. Toda poskusi kažejo, da to ni vedno tako. Vzemimo na primer delce, znane kot mezoni, ki so sestavljeni iz enega kvarka in enega antikvarka. Nevtralni mezoni imajo neverjetno lastnost: lahko se spontano spremenijo v svoj anti-mezon in obratno. V tem postopku se kvark spremeni v antikvark ali antikvark se spremeni v kvark. Vendar so poskusi pokazali, da se to lahko zgodi pogosteje v eno smer kot v drugo - zaradi tega je čez čas več materije kot antimaterije.
Promocijski video:
Tretjič je čarobno
Med delci, ki vsebujejo kvarke, so takšne asimetrije našli le v čudnih in lepih kvarkih - in ta odkritja so postala izjemno pomembna. Že prvo opazovanje asimetrije z nenavadnimi delci leta 1964 je teoretikom omogočilo napoved obstoja šestih kvarkov - v času, ko so bili znani le trije. Odkritje asimetrije v lepih delcih leta 2001 je bila zadnja potrditev mehanizma, ki je privedel do slike s šestimi kvarki. Obe odkritji sta si prislužili Nobelove nagrade.
Tako čudni kot lepi kvarki nosijo negativne električne naboje. Edini očitno pozitiven naboj, ki bi teoretično moral tvoriti delce, ki lahko kažejo asimetrijo materije in antimaterije, je očarljiv. Teorija nakazuje, da to počne, njegov učinek bi moral biti nepomemben in ga je težko najti.
Toda eksperiment LHCb na Velikem hadronskem trkalniku je prvič lahko opazil takšno asimetrijo v delcih, imenovanih D mesoni, ki so sestavljeni iz očarljivih kvarkov. To omogoča neverjetna količina očarljivih delcev, ki nastanejo neposredno v trkih na LHC. Rezultat kaže, da je verjetnost, da gre za statistično nihanje, 50 na milijardo.
Če se ta asimetrija ne rodi iz istega mehanizma, ki vodi v asimetrije čudnih in lepih kvarkov, obstaja prostor za nove vire asimetrije snovi-antimaterije, ki lahko prispevajo k splošni asimetriji tistih v vesolju. In to je pomembno, saj več znanih primerov asimetrije ne more razložiti, zakaj je toliko vesolja v vesolju. Samo odkritje šarmanskih kvarkov ne bo zadosti za zapolnitev te težave, vendar je pomemben del sestavljanke pri razumevanju temeljnih interakcij delcev.
Naslednji koraki
Temu odkritju bo sledilo povečanje števila teoretičnih del, ki pomagajo pri interpretaciji rezultata. Še pomembneje pa je, da bo orisala nadaljnje teste za poglobljeno razumevanje našega odkritja - in nekateri od teh testov že potekajo.
V prihodnjem desetletju bo nadgrajeni eksperiment LHCb povečal občutljivost takšnih meritev. Dopolnil ga bo poskus Belle II na Japonskem, ki se šele začenja.
Antimaterija je tudi v središču številnih drugih poskusov. Celotna antiatoma so izdelana pri CERN-ovem protiprotonskem moderatorju in nudijo vrsto zelo natančnih merilnih poskusov. Eksperiment AMS-2 na mednarodni vesoljski postaji išče vesoljsko antimaterijo. Številni trenutni in prihodnji poskusi bodo namenjeni vprašanju, ali med nevtrini obstaja asimetrija snovi - antimaterije.
Čeprav še vedno ne moremo v celoti razkriti skrivnosti asimetrije materije in antimaterije, je naše zadnje odkritje odprlo vrata v natančne meritve, ki lahko razkrijejo še neznane pojave. Obstaja vsak razlog, da verjamemo, da nam bodo nekega dne fiziki lahko razložili, zakaj smo sploh tukaj.
Ilya Khel