Varför finns vi? Detta är utan tvekan den djupaste frågan som finns och en som kan verka helt utanför partikelfysikens omfattning. Men vårt nya experiment på CERNs Large Hadron Collider har tagit oss ett steg närmare att ta reda på det.

För att förstå varför, låt oss gå tillbaka i tiden cirka 13,8 miljarder år till Big Bang. Denna händelse producerade lika mängder av den materia du är gjord av och något som kallas antimateria. Man tror att varje partikel har en antimateriakompanjon som är praktiskt taget identisk med sig själv, men med motsatt laddning. När en partikel och dess antipartikel möts, de förintar varandra – försvinner i en ljusskur.

Varför universum vi ser idag är helt och hållet gjord av materia är ett av den moderna fysikens största mysterier. Hade det någonsin funnits lika mycket antimateria, allt i universum skulle ha förintats. Vår forskning har avslöjat en ny källa till denna asymmetri mellan materia och antimateria.

Antimateria postulerades först av Arthur Schuster 1896, fick en teoretisk grund av Paul Dirac 1928, och upptäcktes i form av antielektroner, dubbade positroner, av Carl Anderson 1932. Positronerna förekommer i naturliga radioaktiva processer, såsom i förfallet av Kalium-40. Det betyder att din genomsnittliga banan (som innehåller kalium) avger en positron var 75:e minut. Dessa förstör sedan med materiaelektroner för att producera ljus. Medicinska applikationer som PET-skannrar producerar antimateria i samma process.

De grundläggande byggstenarna i materia som utgör atomer är elementarpartiklar som kallas kvarkar och leptoner. Det finns sex sorters kvarkar:upp, ner, konstig, charm, botten och toppen. Liknande, det finns sex leptoner:elektronen, muon, tau och de tre neutrinerna. Det finns också antimateriakopior av dessa tolv partiklar som bara skiljer sig åt i sin laddning.

Antimateriapartiklar ska i princip vara perfekta spegelbilder av sina normala följeslagare. Men experiment visar att detta inte alltid är fallet. Ta till exempel partiklar som kallas mesoner, som är gjorda av en kvarg och en anti-kvark. Neutrala mesoner har en fascinerande egenskap:de kan spontant förvandlas till sin anti-meson och vice versa. I denna process, kvarken förvandlas till en anti-kvark eller anti-kvarken förvandlas till en kvark. Men experiment har visat att detta kan hända mer i en riktning än i den motsatta - skapa mer materia än antimateria över tiden.

Tredje gången är en charm

Bland partiklar som innehåller kvarkar, endast de inklusive konstiga kvarkar och bottenkvarkar har visat sig uppvisa sådana asymmetrier – och dessa var enormt viktiga upptäckter. Den allra första observationen av asymmetri som involverade konstiga partiklar 1964 gjorde det möjligt för teoretiker att förutsäga existensen av sex kvarkar – vid en tidpunkt då endast tre var kända för att existera. Upptäckten av asymmetri i bottenpartiklar 2001 var den slutliga bekräftelsen på mekanismen som ledde till sexkvarkbilden. Båda upptäckterna ledde till Nobelpriser.

Både den främmande kvarken och bottenkvarken bär en negativ elektrisk laddning. Den enda positivt laddade kvarken som i teorin borde kunna bilda partiklar som kan uppvisa materia-antimateria-asymmetri är charm. Teorin antyder att om det gör det, då bör effekten vara liten och svår att upptäcka.

Men LHCb-experimentet har nu för första gången lyckats observera en sådan asymmetri i partiklar som kallas D-meson – som består av charmkvarkar. Detta möjliggörs av den oöverträffade mängden charmpartiklar som produceras direkt i LHC-kollisioner, som jag var pionjär för ett decennium sedan. Resultatet tyder på att chansen att detta är en statistisk fluktuation är cirka 50 på en miljard.

Om denna asymmetri inte kommer från samma mekanism som orsakar de konstiga och bottenkvarkasymmetrierna, detta lämnar utrymme för nya källor till materia-antimateria-asymmetri som kan lägga till den totala sådan asymmetri i det tidiga universum. Och det är viktigt eftersom de få kända fallen av asymmetri inte kan förklara varför universum innehåller så mycket materia. Enbart charmupptäckten kommer inte att räcka för att fylla denna lucka, men det är en viktig pusselbit i förståelsen av samspelet mellan fundamentala partiklar.

Nästa steg

Upptäckten kommer att följas av ett ökat antal teoretiska arbeten, som hjälper till att tolka resultatet. Men ännu viktigare, den kommer att beskriva ytterligare tester för att fördjupa förståelsen efter vårt fynd – med ett antal sådana tester som redan pågår.

Under det kommande decenniet, det uppgraderade LHCb-experimentet kommer att öka känsligheten för dessa typer av mätningar. Detta kommer att kompletteras av det Japan-baserade Belle II-experimentet, som precis har börjat fungera. Det här är spännande framtidsutsikter för forskning om materia-antimateria-asymmetri.

Antimateria är också kärnan i ett antal andra experiment. Hela antiatomer produceras vid CERNs Antiproton Decelerator, som matar ett antal experiment som utför mätningar med hög precision. AMS-2-experimentet ombord på den internationella rymdstationen är på jakt efter antimateria av kosmiskt ursprung. Och ett antal nuvarande och framtida experiment kommer att ta itu med frågan om det finns antimateria-materia-asymmetri bland neutriner.

Även om vi fortfarande inte helt kan lösa mysteriet med universums materia-antimateria-asymmetri, vår senaste upptäckt har öppnat dörren till en era av precisionsmätningar som har potential att avslöja ännu okända fenomen. Det finns all anledning att vara optimistisk att fysiken en dag kommer att kunna förklara varför vi är här överhuvudtaget.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.