Waarom bestaat ons universum vooral uit materie en is de antimaterie bijna verdwenen?
Antimaterie is de tegenhanger van materie. Het bestaat uit deeltjes die exact dezelfde massa en eigenschappen hebben als hun tegenhangers van materie. Het enige verschil is dat hun elektrische lading en andere unieke eigenschappen (zoals spin), die natuurkundigen samen ‘kwantumnummers’ noemen, het tegenovergestelde zijn.
Volgens de huidige kosmologische modellen ontstonden bij de oerknal (ongeveer 13,8 miljard jaar geleden) evenveel materiedeeltjes als antimateriedeeltjes. Zodra deze deeltjes elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar. Bij zo’n reactie blijft enkel energie in de vorm van lichtdeeltjes (fotonen) over. Toch zien we in het huidige universum vrijwel alleen materie; enkel de antimaterie lijkt ‘verdwenen’. Waardoor die symmetrie is gebroken en er een overschot aan materie is achtergebleven, is een van de grootste raadsels in de moderne deeltjesfysica.
Deel van het vraagstuk lijkt opgelost
Een nieuw onderzoek werpt daar nu een klein maar belangrijk licht op. Onderzoekers hebben voor het eerst waargenomen dat baryonen, de deeltjes waaruit alle zichtbare materie bestaat, zich anders gedragen dan hun tegenhangers die uit antimaterie bestaan.
De oplossing werd gevonden door het onderzoeksteam van het LHCb-experiment, een van de vier grote experimenten aan de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN, het Europese centrum voor deeltjesfysica in Genève. CERN is ’s werelds grootste laboratorium voor fundamenteel onderzoek naar de bouwstenen van het universum en de LHC is de grootste deeltjesversneller op aarde.
Zoektocht naar de ontbrekende antimaterie
Het team analyseerde bijna negen miljard botsingen tussen protonen die tussen 2011 en 2018 plaatsvonden. Bij die botsingen ontstaan heel kort zeldzame deeltjes, waaronder lambda-b-baryonen, deeltjes die bestaan uit drie quarks (de deeltjes waaruit ook protonen en neutronen bestaan). De onderzoekers bestudeerden hoe deze uiteenvallen in een proton, een kaon en twee pionen. Die laatste twee zijn kortlevende deeltjes die vaak ontstaan bij botsingen tussen quarks. Daarna vergeleken ze dat met hoe de antimaterie-versie van dezelfde deeltjes zich gedroeg.
Reëel verschil
Wat ze ontdekten, was een écht verschil. Bij baryonen viel het verval 2,45 procent vaker op een bepaalde manier uit dan bij antibaryonen. Dit heet CP-asymmetrie, waarbij ‘C’ staat voor het omdraaien van deeltjes naar antideeltjes en ‘P’ voor het omkeren van richtingen, zoals links en rechts verwisselen. Normaal zou je verwachten dat dit proces perfect symmetrisch is, maar hier was een kleine kink in de kabel. Met een statistische zekerheid van 5,2 sigma (in wetenschapstaal betekent dat: dit is echt en geen statistische afwijking) konden de onderzoekers uitsluiten dat het om toeval ging.
Het werd nog interessanter toen ze zagen dat de asymmetrie niet overal hetzelfde was. In sommige gevallen, waarbij de deeltjes via kortlevende tussenstadia uit elkaar vielen, schoot het verschil zelfs omhoog naar 5,4 procent. Dit betekent dat de manier waarop deeltjes uiteenvallen een grote rol speelt.
Alles is nog niet opgelost
Deze ontdekking is een belangrijke stap, maar het mysterie is nog niet opgelost. Het standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt wel een beetje asymmetrie, maar lang niet genoeg om te verklaren waarom materie won van antimaterie. Dat betekent dat er waarschijnlijk nog iets anders aan de hand is, iets wat we nog niet snappen, misschien wel een stukje natuurkunde dat we nog niet kennen.
