Fysiker vid College of Arts and Sciences vid Syracuse University har bekräftat att materia och antimateria förfaller olika för elementarpartiklar som innehåller charmerade kvarkar.

Den framstående professor Sheldon Stone säger att fynden är en första, även om asymmetri mellan materia och antimateria har observerats tidigare i partiklar med konstiga kvarkar eller skönhetskvarkar.

Han och medlemmar av högskolans forskargrupp för högenergifysik (HEP) har mätt, för första gången och med 99,999 procents säkerhet, en skillnad på sättet D ⁰ mesoner och anti-D ⁰ mesoner förvandlas till mer stabila biprodukter.

Mesoner är subatomära partiklar som består av en kvark och en antikvark, sammanbundna av starka interaktioner.

"Det har gjorts många försök att mäta asymmetri mellan materia och antimateria, men, tills nu, ingen har lyckats, säger Stone, som samarbetar i experimentet Large Hadron Collider beauty (LHCb) vid CERN-laboratoriet i Genève, Schweiz. "Det är en milstolpe inom antimateriaforskning."

Fynden kan också indikera ny fysik utöver standardmodellen, som beskriver hur fundamentala partiklar interagerar med varandra. "Tills dess, vi måste invänta teoretiska försök att förklara observationen på mindre esoteriska sätt, " han lägger till.

Varje partikel av materia har en motsvarande antipartikel, identisk på alla sätt, men med en motsatt laddning. Precisionsstudier av väte- och antiväteatomer, till exempel, avslöja likheter bortom den miljardde decimalen.

När materia och antimateria partiklar kommer i kontakt, de utplånar varandra i en explosion av energi – liknande det som hände i Big Bang, för cirka 14 miljarder år sedan.

"Det är därför det finns så lite naturligt förekommande antimateria i universum omkring oss, säger Stone, Fellow i American Physical Society, som har tilldelat honom årets W.K.H. Panofsky-priset i experimentell partikelfysik.

Frågan på Stones sinne involverar materias och antimaterias lika men motsatta natur. "Om samma mängd materia och antimateria exploderade till existens vid universums födelse, det borde inte ha varit något kvar än ren energi. Självklart, det hände inte, säger han med en känsla av underdrift.

Således, Stone och hans LHCb-kollegor har letat efter subtila skillnader i materia och antimateria för att förstå varför materia är så utbredd.

Svaret kan ligga hos CERN, där forskare skapar antimateria genom att slå ihop protoner i Large Hadron Collider (LHC), världens största, den mest kraftfulla gaspedalen. Ju mer energi LHC producerar, desto mer massiva är partiklarna – och antipartiklarna – som bildas vid kollision.

Det är i skräpet av dessa kollisioner som forskare som Ivan Polyakov, en postdoc i Syracuses HEP-grupp, jaga partikelingredienser.

"Vi ser inte antimateria i vår värld, så vi måste på konstgjord väg producera den, " säger han. "Data från dessa kollisioner gör det möjligt för oss att kartlägga sönderfallet och omvandlingen av instabila partiklar till mer stabila biprodukter."

HEP är känt för sin banbrytande forskning om kvarkar – elementarpartiklar som är materiens byggstenar. Det finns sex typer, eller smaker, av kvarkar, men forskare brukar prata om dem i par:upp/ner, charm/konstigt och topp/botten. Varje par har en motsvarande massa och fraktionerad elektronisk laddning.

Förutom skönhetskvarken ("b" i "LHCb"), HEP är intresserad av den charmade kvargen. Trots sin relativt höga massa, en charmad kvarg lever en flyktig tillvaro innan den förfaller till något mer stabilt.

Nyligen, HEP studerade två versioner av samma partikel. En version innehöll en charmad kvarg och en antimateriaversion av en uppkvark, kallas anti-up-kvarken. Den andra versionen hade en anti-charm-kvark och en upp-kvark.

Med hjälp av LHC-data, de identifierade båda versionerna av partikeln, långt upp i tiotals miljoner, och räknade antalet gånger varje partikel sönderföll till nya biprodukter.

"Förhållandet mellan de två möjliga utfallen borde ha varit identiskt för båda uppsättningarna av partiklar, men vi fann att förhållandena skilde sig med ungefär en tiondels procent, Stone säger. "Detta bevisar att charmad materia och antimateria partiklar inte är helt utbytbara."

tillägger Polyakov, "Partiklar kan se likadana ut på utsidan, men de beter sig olika på insidan. Det är antimaterias pussel."

Tanken att materia och antimateria beter sig olika är inte ny. Tidigare studier av partiklar med konstiga kvarkar och bottenkvarkar har bekräftat detta.

Vad gör denna studie unik, Stone avslutar, är att det är första gången någon har sett partiklar med charmade kvarkar vara asymmetriska:"Det är en för historieböckerna."