Första observerade skillnaden mellan materia och antimateria i baryoner

Vid Big Bang bildades lika stora delar materia och antimateria, men idag finns nästan ingen antimateria kvar. För att kunna få en förståelse för hur det gick till när antimateria försvann, försöker partikelfysiker världen över först påvisa att det finns skillnader mellan materia och antimateria. Nästa steg är sedan att teoretiskt förklara varför avvikelserna sker.

Upptäckten gjordes vid världens största partikelaccelerator Large Hadron Collider, LHC, vid CERN vid en av de fyra detektorkomplex, LHCb-experimentet, som är designat för att studera väldigt små skillnader mellan materia och antimateria.

Redan sedan mitten av av 60-talet har man i experimentella mätningar kunnat uppmäta skillnader mellan materia och antimateria utifrån standardmodellen, i form av så kallade CP-symmetribrott. Men detta har man bara kunnat göra för mesoner, subatomära partiklar som består av ett kvark — antikvarkpar.

I decennier har forskare också sökt efter skillnader mellan baryoner, som består av tre kvarkar, och antibaryoner, som består av tre antikvarkar, men har fram tills nu inte kunnat bekräfta någon skillnad.

Forskarna har nu för första gången lyckats uppmäta skillnader mellan materia och antimateria i Λ⁰_b-baryonen. Den liknar en proton i kvarksammansättningen, och har liksom protonen en nerkvark och en uppkvark, men där protonens andra uppkvark har bytts ut mot en mycket tyngre bottenkvark (beauty på engelska).

Universums synliga materia består i huvudsak av protoner, neutroner och elektroner och både protoner och neutroner är uppbyggda av kvarkar, så det är därför extra intressant att man har kunnat se skillnader för dem. Eftersom dessa tyngre baryoner har liknande egenskaper som protoner och neutroner, så kan de ge nya insikter och ledtrådar till vad som hänt med den försvunna antimaterien.

– Det första steget, att hitta dessa skillnader, har vi nu uppnått. Nästa steg blir nu att hitta fler skillnader mellan baryoner och antibaryoner. På så sätt kan teoretiska fysiker bygga ett komplicerat pussel, som svarar på frågan om alla observationer sammantaget går att förklara med Standardmodellen, eller om modellen behöver kompletteras med ny fysik, säger Patrik Adlarson, medlem i LHCb-experimentet, och forskare i kärnfysik vid Institutionen för fysik och astronomi.

På grund av bottenkvarkens massa så har den undersökta baryonen en massa som är fem till sex gånger större än protonmassan. Den är också relativt kortlivad och sönderfaller till mer stabila partikelkonfigurationer som experimentet mäter. Om CP-symmetrin är bevarad ska sönderfallskedjan för materia och antimateria vara lika frekvent förekommande. Men man har nu upptäckt att det alltså skiljer sig åt i hur den sönderfaller mot dess motsvarande anti-partikel, ”anti-Lambda-b”, och visar alltså på att materia och antimateria beter sig något olika.