Voor het eerst hebben natuurkundigen van 's werelds grootste atoomvernietiger verschillen waargenomen in het verval van deeltjes en antideeltjes die een basisbouwsteen van materie bevatten, de charm-quark genaamd.
De bevinding zou kunnen helpen het mysterie te verklaren waarom materie überhaupt bestaat.
'Het is een historische mijlpaal', zegt Sheldon Stone, hoogleraar natuurkunde aan de Syracuse University en een van de medewerkers van het nieuwe onderzoek.
Materie en antimaterie
Elk materiedeeltje heeft een antideeltje, dat qua massa identiek is, maar met een tegengestelde elektrische lading. Wanneer materie en antimaterie elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar. Dat is een probleem. De oerknal zou een gelijkwaardige hoeveelheid materie en antimaterie moeten hebben gecreëerd, en al die deeltjes hadden elkaar snel moeten vernietigen en niets dan pure energie achterlaten.
Het idee van de CP-schending kwam van de Russische natuurkundige Andrei Sacharov, die het in 1967 voorstelde als verklaring waarom de materie de oerknal heeft overleefd.
"Dit is een van de criteria die we nodig hebben om te bestaan", zei Stone, "dus het is belangrijk om te begrijpen wat de oorsprong is van CP-schending."
Er zijn zes verschillende soorten quarks, allemaal met hun eigen eigenschappen: op en neer, boven en onder en charme en vreemd. In 1964 observeerden natuurkundigen voor het eerst de CP-overtreding in het echte leven in vreemde quarks. In 2001 zagen ze het gebeuren met deeltjes die bodemquarks bevatten. (Beide ontdekkingen leidden tot Nobelprijzen voor de betrokken onderzoekers.) Natuurkundigen hadden lang gedacht dat het ook gebeurde met deeltjes die charm-quarks bevatten, maar niemand had het ooit gezien.
Charmed, ik weet het zeker
Stone is een van de onderzoekers van het Large Hadron Collider (LHC) schoonheidsexperiment, dat gebruik maakt van CERN's Large Hadron Collider, de 16,5 mijl (27 kilometer) ring aan de Frans-Zwitserse grens die subatomaire deeltjes naar elkaar stuurt om weer in elkaar te schieten. creëer de flitsen van verbijsterende energie die volgde op de Big Bang. Terwijl de deeltjes in elkaar slaan, breken ze in hun samenstellende delen, die vervolgens binnen fracties van een seconde vervallen tot stabielere deeltjes.
De laatste waarnemingen betroffen combinaties van quarks die mesonen worden genoemd, met name het D0 ("d-zero") meson en het anti-D0 meson. Het D0-meson bestaat uit één charm-quark en één anti-up-quark (het antideeltje van de up-quark). Het anti-D0-meson is een combinatie van één anti-charm-quark en één up-quark.
Beide mesonen vervallen op veel manieren, maar een klein percentage van hen eindigt als mesonen die kaons of pionen worden genoemd. De onderzoekers maten het verschil in vervalsnelheden tussen de D0- en de anti-D0-mesonen, een proces waarbij indirecte metingen werden uitgevoerd om ervoor te zorgen dat ze niet alleen een verschil in de initiële productie van de twee mesonen of verschillen in hoe goed hun apparatuur kan verschillende subatomaire deeltjes detecteren.
Het komt neer op? De ratio's van verval verschilden met een tiende procent.
"Het betekent dat de D0 en de anti-D0 niet in hetzelfde tempo vervallen, en dat is wat we CP-schending noemen," zei Stone.
En dat maakt het interessant. De verschillen in verval zijn waarschijnlijk niet groot genoeg om uit te leggen wat er na de oerknal is gebeurd om zoveel materie achter te laten, zei Stone, hoewel het groot genoeg is om verrassend te zijn. Maar nu, zei hij, krijgen natuurkundetheoretici hun beurt met de gegevens.
Natuurkundigen vertrouwen op iets dat het standaardmodel wordt genoemd om alles op de subatomaire schaal uit te leggen. De vraag is nu, zei Stone, of de voorspellingen van het standaardmodel de charm-quarkmeting kunnen verklaren die het team zojuist heeft gemaakt, of dat er een soort nieuwe fysica voor nodig is - wat volgens Stone het meest opwindende resultaat zou zijn.
'Als dit alleen kon worden verklaard door nieuwe fysica, zou die nieuwe fysica het idee kunnen bevatten waar deze CP-schending vandaan komt', zei hij.
Onderzoekers maakten de ontdekking bekend in een CERN-webcast en publiceerden een voordruk van een paper met de resultaten online.
- Wat is dat? Uw vragen over natuurkunde beantwoord
- De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde
- Foto's: 's werelds grootste Atom Smasher (LHC)
