Det är ett av fysikens största pussel. Alla partiklar som utgör materien omkring oss, sådana elektroner och protoner, har antimateriaversioner som är nästan identiska, men med speglade egenskaper som den motsatta elektriska laddningen. När en antimateria och en materia partikel möts, de förintar i en blixt av energi.

Om antimateria och materia verkligen är identiska men spegelvända kopior av varandra, de borde ha producerats i lika stora mängder i Big Bang. Problemet är att det skulle ha förintat allt. Men idag, det finns nästan ingen antimateria kvar i universum – den förekommer bara i vissa radioaktiva sönderfall och i en liten del av kosmiska strålar. Så vad hände med det? Genom att använda LHCb-experimentet vid CERN för att studera skillnaden mellan materia och antimateria, vi har upptäckt ett nytt sätt att denna skillnad kan uppstå.

Förekomsten av antimateria förutspåddes av fysikern Paul Diracs ekvation som beskrev elektronernas rörelse 1928. Till en början det var inte klart om detta bara var en matematisk egenhet eller en beskrivning av en riktig partikel. Men 1932 upptäckte Carl Anderson en antimateriapartner till elektronen – positronen – samtidigt som han studerade kosmiska strålar som regnar ner på jorden från rymden. Under de närmaste decennierna fann fysiker att alla materiapartiklar har antimateriapartners.

Forskare tror att i det mycket varma och täta tillståndet strax efter Big Bang, det måste ha funnits processer som gav företräde åt materia framför antimateria. Detta skapade ett litet överskott av materia, och när universum svalnade, all antimateria förstördes, eller tillintetgjort, med lika mycket materia, lämnar ett litet överskott av materia. Och det är detta överskott som utgör allt vi ser i universum idag.

Exakt vilka processer som orsakade överskottet är oklart, och fysiker har varit på utkik i decennier.

Känd asymmetri

kvarkars beteende, som är de grundläggande byggstenarna i materia tillsammans med leptoner, kan belysa skillnaden mellan materia och antimateria. Quarks finns i många olika sorter, eller "smaker", känd som upp, ner, charm, konstig, botten och topp plus sex motsvarande anti-kvarkar.

Upp- och nerkvarkarna är det som utgör protonerna och neutronerna i kärnorna i vanlig materia, och de andra kvarkarna kan produceras genom högenergiprocesser - till exempel genom att kollidera partiklar i acceleratorer som Large Hadron Collider vid CERN.

Partiklar som består av en kvark och en anti-kvark kallas mesoner, och det finns fyra neutrala mesoner (B ⁰ , B ⁰ , D ⁰ och K ⁰ ) som uppvisar ett fascinerande beteende. De kan spontant förvandlas till sin antipartikelpartner och sedan tillbaka igen, ett fenomen som observerades för första gången på 1960-talet. Eftersom de är instabila, de kommer att "förmultna" - falla isär - till andra mer stabila partiklar någon gång under deras svängning. Detta sönderfall sker något annorlunda för mesoner jämfört med anti-mesoner, vilket i kombination med svängningen gör att sönderfallets hastighet varierar över tiden.

Reglerna för svängningar och sönderfall ges av ett teoretiskt ramverk som kallas Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mekanismen. Den förutspår att det finns en skillnad i beteendet hos materia och antimateria, men en som är för liten för att generera överskottet av materia i det tidiga universum som krävs för att förklara det överflöd vi ser idag.

Detta indikerar att det finns något vi inte förstår och att studera detta ämne kan utmana några av våra mest grundläggande teorier inom fysik.

Ny fysik?

Vårt senaste resultat från LHCb-experimentet är en studie av neutral B ⁰ mesoner, tittar på deras sönderfall i par av laddade K-mesoner. B ⁰ Mesoner skapades genom att protoner kolliderade med andra protoner i Large Hadron Collider där de svängde in i sin anti-meson och tillbaka tre biljoner gånger per sekund. Kollisionerna skapade också anti-B ₀ mesoner som svänger på samma sätt, ge oss prover på mesoner och anti-mesoner som kan jämföras.

Vi räknade antalet sönderfall från de två proverna och jämförde de två siffrorna, för att se hur denna skillnad varierade allteftersom svängningen fortskred. Det fanns en liten skillnad - med fler sönderfall inträffade för en av B ⁰ mesoner. Och för första gången för B ⁰ mesoner, vi observerade att skillnaden i förfall, eller asymmetri, varierade beroende på oscillationen mellan B ⁰ meson och anti-meson.

Förutom att vara en milstolpe i studiet av skillnader mellan materia och antimateria, vi kunde också mäta storleken på asymmetrierna. Detta kan översättas till mätningar av flera parametrar i den underliggande teorin. Att jämföra resultaten med andra mätningar ger en konsistenskontroll, för att se om den för närvarande accepterade teorin är en korrekt beskrivning av naturen. Eftersom den lilla preferensen av materia framför antimateria som vi observerar i mikroskopisk skala inte kan förklara det överväldigande överflöd av materia som vi observerar i universum, det är troligt att vår nuvarande förståelse är en approximation av en mer fundamental teori.

Att undersöka denna mekanism som vi vet kan generera materia-antimateria-asymmetrier, undersöka det från olika vinklar, kan berätta var problemet ligger. Att studera världen i den minsta skalan är vår bästa chans att kunna förstå vad vi ser i den största skalan.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.