Zašto postojimo? Ovo je možda najdublje pitanje koje se može činiti potpuno izvan okvira fizike čestica. No, naš novi eksperiment na velikom hadronskom sudaraču u CERN-u približio nas je odgovoru. Da biste shvatili zašto postojimo, prvo morate prijeći 13,8 milijardi godina, u vrijeme Velikog praska. Taj je događaj proizveo jednaku količinu tvari od koje smo napravljeni i antimaterije.
Vjeruje se da svaka čestica ima partnera protiv antimaterije, što je gotovo identično njoj, ali ima suprotan naboj. Kad se čestica i njezina antičestica sastanu, one se uništavaju - nestaju u bljesku svjetla.
Gdje je sve antimaterija?
Zašto je svemir sastavljen od materije jedna je od najvećih misterija moderne fizike. Da je postojala jednaka količina antimaterije, sve bi se u svemiru uništilo. I tako, čini se da je nedavno objavljena studija pronašla novi izvor asimetrije između materije i antimaterije.
Arthur Schuster prvi je govorio o antimateriji 1896. godine, zatim je 1928. godine Paul Dirac dao teoretsku osnovu, a Karl Anderson 1932. otkrio ga je u obliku anti-elektrona, koji se nazivaju pozitroni. Pozitroni se rađaju u prirodnim radioaktivnim procesima, poput propadanja kalija-40. To znači da obična banana (koja sadrži kalij) emitira pozitrona svakih 75 minuta. Zatim se uništava sa elektronima u materiji, proizvodeći svjetlost. Medicinske aplikacije poput PET skenera također proizvode antimateriju u sličnom postupku.
Glavni građevni sastojci tvari od kojih su sačinjeni atomi su elementarne čestice - kvarkovi i leptoni. Postoji šest vrsta kvarkova: gore, dolje, čudno, šarmirano, istinito i lijepo. Isto tako, postoji šest leptona: elektron, muon, tau i tri vrste neutrina. Postoje i antimaterijalne kopije tih dvanaest čestica, koje se razlikuju samo po naboju.
Čestice antimaterije u načelu bi trebale biti savršena zrcalna slika njihovih normalnih satelita. Ali eksperimenti pokazuju da to nije uvijek tako. Uzmimo, na primjer, čestice poznate kao mezoni, koji se sastoje od jednog kvarka i jednog antikvarka. Neutralni mezoni imaju zadivljujuću osobinu: oni se mogu spontano pretvoriti u svoj anti-meson i obrnuto. U tom se procesu kvark pretvara u antikvark ili se antikvark pretvara u kvark. Međutim, eksperimenti su pokazali da se to može češće događati u jednom smjeru nego u drugom - kao rezultat toga što tijekom vremena ima više materije nego antimaterije.
Promotivni video:
Treći put je čaroban
Među česticama koje sadrže kvarkove, takve su asimetrije pronađene samo u čudnim i lijepim kvarkovima - i ta su otkrića postala izuzetno važna. Već prvo promatranje asimetrije koja uključuje čudne čestice 1964. godine omogućilo je teoretičarima da predvidi postojanje šest kvarkova - u vrijeme kada je poznato da postoje samo tri. Otkriće asimetrije u lijepim česticama 2001. godine bila je konačna potvrda mehanizma koji je doveo do slike sa šest kvarkova. Oba otkrića zaslužila su Nobelove nagrade.
I čudni i lijepi kvarkovi nose negativne električne naboje. Jedini šarmer koji je teoretski trebao biti sposoban da formira čestice koje mogu pokazati asimetriju materije i antimaterije je onaj šarmantan. Teorija sugerira da on to radi, njegov bi učinak trebao biti beznačajan i teško ga je pronaći.
Ali eksperiment LHCb na Velikom hadronskom sudaraču bio je u stanju primijetiti takvu asimetriju u česticama zvanim D-mezoni, koje su sastavljene od šarmiranih kvarkova - po prvi put. To je moguće zahvaljujući neviđenoj količini šarmiranih čestica proizvedenih izravno u sudarima na LHC. Rezultat pokazuje da je vjerojatnost da se radi o statističkoj fluktuaciji 50 na milijardu.
Ako se ta asimetrija ne rađa iz istog mehanizma koji vodi do asimetrije čudnih i lijepih kvarkova, postoji prostor za nove izvore asimetrije materije-antimaterije, što može dodati općoj asimetriji onih u Svemiru. I ovo je važno, jer nekoliko poznatih slučajeva asimetrije ne mogu objasniti zašto u svemiru ima toliko materije. Samo otkrivanje šarmanskih kvarkova neće biti dovoljno da ispuni ovaj problem, ali važan je dio zagonetke u razumijevanju temeljnih interakcija čestica.
Sljedeći koraci
Nakon ovog otkrića uslijedit će porast broja teorijskih radova koji pomažu u interpretaciji rezultata. No što je još važnije, ona će navesti daljnje testove za produbljivanje našeg razumijevanja našeg otkrića - a neki od tih testova su već u tijeku.
U narednom desetljeću nadograđeni eksperiment LHCb povećavat će osjetljivost takvih mjerenja. Dopunit će ga pokus Belle II u Japanu, koji tek počinje.
Antimaterija je također u središtu niza drugih pokusa. Cjeloviti antiatomi proizvode se u CERN-ovom Antiprotonskom moderatoru i pružaju niz vrlo točnih eksperimenata s mjerenjima. Eksperiment AMS-2 na međunarodnoj svemirskoj stanici je u potrazi za svemirskom antimaterijom. Brojni trenutni i budući pokusi bit će posvećeni pitanju postoji li asimetrija tvari-antimaterije među neutrinima.
Iako još uvijek ne možemo do kraja otkriti tajnu asimetrije materije i antimaterije, naše posljednje otkriće otvorilo je vrata preciznim mjerenjima koja mogu otkriti još nepoznate pojave. Postoji svaki razlog za vjerovanje da će jednog dana fizičari moći objasniti zašto smo uopće ovdje.
Ilya Khel