Universum består av en enorm obalans mellan materia och antimateria. Antimateria och materia är faktiskt samma sak, men har motsatta avgifter, men det finns knappast någon antimateria i det observerbara universum, inklusive stjärnorna och andra galaxer. I teorin, det borde finnas stora mängder antimateria, men det observerbara universum är mestadels materia

"Vi är här för att det finns mer materia än antimateria i universum, " säger professor Jens Oluf Andersen vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitets (NTNU) institutt för fysik. Denna stora obalans mellan materia och antimateria är all påtaglig materia, inklusive livsformer, existerar, men forskarna förstår inte varför.

Fysiken använder en standardmodell för att förklara och förstå hur världen hänger ihop. Standardmodellen är en teori som beskriver alla partiklar som forskarna känner till. Det står för kvarkar, elektroner, Higgs bosonpartikeln och hur de alla interagerar med varandra. Men standardmodellen kan inte förklara det faktum att världen nästan uteslutande består av materia. Så det måste vara något vi inte förstår ännu.

När antimateria och materia möts, de förintar, och resultatet är lätt och inget annat. Med tanke på lika mängder materia och antimateria, ingenting skulle återstå när reaktionen var fullbordad. Så länge vi inte vet varför mer materia finns, vi kan inte veta varför byggstenarna i något annat finns, antingen. "Detta är ett av de största olösta problemen inom fysiken, säger Andersen.

Forskare kallar detta problemet med "baryonasymmetri". Baryoner är subatomära partiklar, inklusive protoner och neutroner. Alla baryoner har en motsvarande antibaryon, vilket är mystiskt sällsynt. Fysikens standardmodell förklarar flera aspekter av naturens krafter. Den förklarar hur atomer blir molekyler, och det förklarar partiklarna som utgör atomer.

"Standardmodellen för fysik inkluderar alla partiklar vi känner till. Den nyaste partikeln, Higgs boson, upptäcktes 2012 vid CERN, säger Andersen. Med denna upptäckt, en viktig bit föll på plats. Men inte den sista. Standardmodellen fungerar perfekt för att förklara stora delar av universum, så forskare är intresserade när något inte passar. Baryonasymmetri hör hemma i denna kategori.

Fysiker har sina teorier om varför det finns mer materia, och därmed varför vi onekligen existerar. "En teori är att det har varit så sedan Big Bang, säger Andersen. Med andra ord, obalansen mellan materia och antimateria är en grundförutsättning som har funnits mer eller mindre från början.

Kvarkar är bland naturens minsta byggstenar. Ett tidigt överskott av kvarkar i förhållande till antikvarkar förökades när större enheter bildades. Men Andersen bryr sig inte om denna förklaring. "Vi är fortfarande inte nöjda med den idén, för det säger oss inte så mycket, " han säger.

Så varför var denna obalans närvarande från början? Varför var kvarkar från början fler än antikvarkar? "I princip, det är möjligt att generera asymmetri inom standardmodellen för fysik – det vill säga, skillnaden mellan mängden materia och antimateria. Men vi stöter på två problem, säger Andersen.

För det första, forskare måste gå långt tillbaka i tiden, till strax efter Big Bang när allt började – vi pratar om 10 pikosekunder, eller 10 ^-11 sekunder efter Big Bang.

Det andra problemet är att temperaturen måste vara runt 1 biljon grader Kelvin, eller 10 ¹⁵ grader. Det är brännande - tänk på att solens yta bara är cirka 5700 grader. Oavsett, det räcker inte att förklara baryonisk materia. "Det kan inte fungera. I standardmodellen, vi har inte tillräckligt med materia, ", säger Andersen. "Problemet är att hoppet i väntevärdet för Higgsfältet är för litet, ", tillägger han till förmån för de som bara har ett minimum av fysik.

"Det är förmodligen inte bara vår fantasi som sätter gränser, men det finns många möjligheter " säger Andersen. Dessa möjligheter måste därför samverka med standardmodellen. "Vad vi egentligen letar efter är en förlängning av standardmodellen. Något som passar in i det."

Varken han eller andra fysiker tvivlar på att standardmodellen är rätt. Modellen testas kontinuerligt hos CERN och andra partikelacceleratorer. Det är bara det att modellen inte är färdig ännu. Andersen och hans kollegor undersöker olika möjligheter för modellen att passa med obalansen mellan materia och antimateria. De senaste resultaten publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev .

"Faktiskt, vi pratar om fasövergångar, " säger Andersen. Hans grupp överväger förändringsprocesser i materien, som att vatten förvandlas till ånga eller is under föränderliga förhållanden. De överväger också om materia uppstod som ett resultat av en elektrosvag fasövergång (EWPT) och bildade ett överskott av baryoner strax efter Big Bang. Den elektrosvaga fasövergången sker genom bildandet av bubblor. Den nya fasen expanderar, lite som vattenbubblor, och tar över hela universum.

Andersen och hans kollegor testade den så kallade "two Higgs doublet"-modellen (2HDM), en av de enklaste tilläggen av standardmodellen. De sökte efter möjliga områden där de rätta förutsättningarna finns för att skapa materia. "Det finns flera scenarier för hur baryonasymmetri skapades. Vi studerade den elektrosvaga fasövergången med hjälp av 2HDM-modellen. Denna fasövergång äger rum i det tidiga skedet av vårt universum, säger Andersen.

Processen är jämförbar med kokande vatten. När vattnet når 100 grader Celsius, gasbubblor bildas och stiger upp. Dessa gasbubblor innehåller vattenånga som är gasfasen. Vatten är en vätska. När det övergår från gasfas till flytande fas i det tidiga universum under en process där universum expanderar och kyls, ett överskott av kvarkar produceras jämfört med antikvarkar, genererar baryonasymmetri.

Sist men inte minst, forskarna håller också på med matematik. För att modellerna ska fungera synkroniserat, parametrar eller numeriska värden måste passa så att båda modellerna är rätt samtidigt. Så arbetet handlar om att hitta dessa parametrar. I den senaste artikeln i Fysiska granskningsbrev , Andersen och hans kollegor minskade det matematiska området där materia kan skapas och motsvarar samtidigt båda modellerna. De har nu minskat möjligheterna.

"För att den nya modellen (2HDM) ska matcha det vi redan vet från CERN, till exempel, parametrarna i modellen kan inte vara vad som helst. Å andra sidan, för att kunna producera tillräckligt med baryonasymmetri, Parametrarna måste också ligga inom ett visst intervall. Så det är därför vi försöker begränsa parameterintervallet. Men det är långt kvar, säger Andersen. I alla fall, forskarna har kommit en bit på vägen för att förstå varför vi och allt annat är här.