Varför finns det något alls?

Enligt fysikens standardmodell borde universum ha skapat lika mycket materia som antimateria under Big Bang. Antimateria är som en spegelbild av vanlig materia: en antiproton är som en proton men med negativ laddning, och en positron är som en elektron men positiv.

När en partikel möter sin antipartikel händer något dramatiskt: de annihileras. De försvinner helt och omvandlas till ren energi i form av ljus (fotoner). I det tidiga, extremt varma universum skedde detta hela tiden i en våldsam dans av skapelse och förstörelse.

Men när universum svalnade och utplåningen var klar fanns det fortfarande materia kvar. Vi ser galaxer av materia så långt våra teleskop når, ända ut till universums observerbara gräns. Detta lilla överskott av materia är grunden för allt vi känner till: stjärnor, planeter och oss själva.

Ingenstans har vi hittat naturliga ”antigalaxer” gjorda av antimateria. Om de fanns skulle vi se enorma mängder gammastrålning där de möter vanlig materia. Det betyder att symmetrin måste ha brutits extremt tidigt, inom en bråkdel av en sekund efter Big Bang.

Det stora mysteriet kallas baryonasymmetrin. Vi vet att det finns mer materia, men vi vet inte varför. Vilken naturlag gav materian det där lilla försprånget i universums första sekund?

För att förklara detta överskott måste tre villkor vara uppfyllda, något den ryske fysikern Andrej Sacharov räknade ut 1967. Det mest spännande av dessa är CP-brott – idén att naturen faktiskt behandlar partiklar och antipartiklar olika.

Trots att vi har hittat CP-brott i partikelacceleratorer är de effekter vi ser alldeles för svaga. De kan inte förklara varför så mycket materia blev kvar. Det tyder på att det finns en ”ny fysik” bortom det vi känner till idag, kanske dolda partiklar eller okända krafter.

År 1964 upptäckte James Cronin och Val Fitch något chockerande: vissa partiklar (kallade kaoner) sönderfaller inte exakt likadant som sina antipartiklar. De bryter mot CP-symmetrin (Charge-Parity). Det var det första beviset på att materia och antimateria inte är helt perfekta spegelbilder.

1

Baryonnummer-brott

Det måste finnas processer som kan skapa fler baryoner (som protoner) än antibaryoner från början.

2

C- och CP-brott

Naturen måste ha en inneboende preferens för materia framför antimateria i sina fundamentala lagar.

3

Obalans i temperatur

Dessa processer måste ha skett när universum expanderade så snabbt att allt inte hann plana ut sig och nå jämvikt.

Dessa tre villkor kallas för Sacharov-kriterierna. De fungerar som en receptbok för hur man bygger ett universum av materia. Utmaningen är att hitta de ingredienser i naturen som faktiskt uppfyller dem tillräckligt kraftfullt.

Problemet är att det CP-brott vi hittills har hittat i våra laboratorier är alldeles för litet. Det räcker inte för att förklara den enorma mängd materia vi ser i universum. Det måste finnas en starkare kraft eller en okänd partikel som vi ännu inte har upptäckt, kanske djupt inne i neutrinernas värld.

1928

Antimateria förutsägs

Paul Dirac skriver en ekvation som kräver existensen av partiklar med motsatt laddning.

1932

Positronen upptäcks

Carl Anderson hittar den första antipartikeln (en anti-elektron) i kosmisk strålning.

1955

Antiprotonen skapas

Forskare vid Berkeley skapar den första antiprotonen i en accelerator.

1964

CP-brott upptäcks

Cronin och Fitch visar att naturen inte är helt symmetrisk vid sönderfall.

2010

Antiväte fångas

Forskare vid CERN lyckas hålla fast antiväteatomer i en magnetisk fälla i flera minuter.

Svaret jagas både i jättelika underjordiska tunnlar och i de djupaste gruvorna. Vi bygger maskiner som kan återskapa förhållandena precis efter Big Bang.

1

CERN LHCb

LHCb-experimentet vid CERN studerar sönderfall av tunga kvarkar för att hitta nya former av CP-brott som standardmodellen inte förutspått.

2

ALPHA-experimentet

Här fångar man atomer av antiväte i magnetiska fällor för att se om de faller nedåt i gravitationen precis som vanlig materia – eller om de har några andra hemligheter.

3

DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment)

En gigantisk detektor i en gruva i South Dakota ska fånga neutriner skickade från Chicago för att se om de byter skepnad på olika sätt än antineutriner.

Att vi alls är här för att ställa frågan är kanske det största beviset på att universum inte är perfekt balanserat – och tur är väl det. Utan det där lilla felet skulle ingen av oss finnas till.