Fysiker har bevisat att en subatomär partikel kan byta till sitt antipartikel-alter-ego och tillbaka igen, i en ny upptäckt som avslöjades i dag.

Den utomordentligt exakta mätningen gjordes av brittiska forskare med experimentet Large Hadron Collider beauty (LHCb) vid CERN.

Det har gett de första bevisen på att charmmesoner kan förändras till sin antipartikel och tillbaka igen.

Blandningsfenomen

I mer än 10 år, forskare har vetat att charm mesoner, subatomära partiklar som innehåller en kvarg och en antikvark, kan resa som en blandning av deras partikel- och antipartikeltillstånd.

Det är ett fenomen som kallas blandning.

Dock, detta nya resultat visar för första gången att de kan pendla mellan de två tillstånden.

Ta itu med stora fysikfrågor

Beväpnad med dessa nya bevis, forskare kan försöka ta itu med några av de största frågorna inom fysiken kring hur partiklar beter sig utanför standardmodellen.

En varelse, om dessa övergångar orsakas av okända partiklar som inte förutspås av den vägledande teorin.

Forskningen, lämnas till Fysiska granskningsbrev och tillgänglig på arXiv, fått finansiering från Science and Technology Facilities Council (STFC).

Att vara det ena och det andra

I kvantfysikens konstiga värld, charmmesonen kan vara sig själv och dess antipartikel på en gång.

denna stat, känd som quantum superposition, resulterar i två partiklar med var sin massa - en tyngre och lättare version av partikeln.

Denna superposition tillåter charmmesonen att svänga in i sin antipartikel och tillbaka igen.

Massskillnader

Med hjälp av data som samlats in under den andra körningen av Large Hadron Collider (LHC), forskare från University of Oxford mätte en skillnad i massa mellan de två partiklarna.

Det var en skillnad på 0,000000000000000000000000000000000000001 gram – eller i vetenskaplig notation 1×10 ^-38 g.

En mätning av denna precision och säkerhet är endast möjlig när fenomenet observeras många gånger.

Detta är bara möjligt på grund av att många charmmesoner produceras i LHC-kollisioner.

Eftersom mätningen är extremt exakt, forskargruppen såg till att analysmetoden var ännu mer så.

En ny teknik

Att göra detta, teamet använde en ny teknik som ursprungligen utvecklades av kollegor vid University of Warwick.

Det finns bara fyra typer av partiklar i standardmodellen, teorin som förklarar partikelfysik, som kan förvandlas till deras antipartikel.

Blandningsfenomenet observerades först i Strange mesons på 1960-talet och i skönhetsmesoner på 1980-talet.

Tills nu, den enda andra av de fyra partiklarna som har setts oscillera på detta sätt är mesonen med märklig skönhet, en mätning som gjordes 2006.

Ett sällsynt fenomen

Professor Guy Wilkinson vid University of Oxford, vars grupp bidrog till analysen, sa:

"Vad som gör denna upptäckt av oscillation i charmmesonpartikeln så imponerande är att till skillnad från skönhetsmesonerna, svängningen är mycket långsam och därför extremt svår att mäta inom den tid som det tar mesonen att sönderfalla. Detta resultat visar att svängningarna är så långsamma att de allra flesta partiklar kommer att sönderfalla innan de har en chans att svänga. Dock, vi kan bekräfta detta som en upptäckt eftersom LHCb har samlat in så mycket data."

Professor Tim Gershon vid University of Warwick, utvecklare av den analysteknik som används för att göra mätningen, sa:"Charmmesonpartiklar produceras i proton-protonkollisioner och de färdas i genomsnitt bara några millimeter innan de transformeras, eller ruttnande, till andra partiklar. Genom att jämföra charmmesonpartiklarna som sönderfaller efter att ha färdats en kort sträcka med de som färdas lite längre, vi har kunnat mäta nyckelkvantiteten som styr hastigheten på charmmesonoscillationen till anti-charm meson - skillnaden i massa mellan de tyngre och lättare versionerna av charm meson."

En ny dörr öppnas för fysikutforskning

Denna upptäckt av charmmesonoscillation öppnar upp en ny och spännande fas av fysikutforskning.

Forskare vill nu förstå själva oscillationsprocessen, potentiellt ett stort steg framåt för att lösa mysteriet med asymmetri mellan materia och antimateria.

Ett nyckelområde att utforska är om hastigheten för partikel-antipartikelövergångar är densamma som för antipartikel-partikelövergångar.

Och specifikt, om övergångarna påverkas eller orsakas av okända partiklar som inte förutspås av standardmodellen.

Små mått säger stora saker

Dr Mark Williams vid University of Edinburgh, som sammankallade LHCb Charm Physics Group inom vilken forskningen utfördes, sa:"Små mått som denna kan berätta stora saker om universum som du inte förväntade dig."

Resultatet, 1×10-38g, korsar "fem sigma"-nivån av statistisk signifikans som krävs för att göra anspråk på en upptäckt inom partikelfysik.

Vidare information

LHCb är ett av de fyra stora experimenten vid LHC vid CERN i Genève, och är designad för att studera sönderfall av partiklar som innehåller en skönhetskvarg.

Det primära målet med LHCb är att undersöka materia-antimateria-asymmetri eller "CP-kränkning".

Efter Big Bang, materia och antimateria skapades i lika stora mängder, men när de träffas förintar de varandra.

När vi lever i ett universum som domineras av materia, det måste finnas en subtil skillnad mellan materia och antimateria som har tillåtit materia att överleva.

Mesoner är en del av den stora klassen av partiklar som består av fundamentala partiklar som kallas kvarkar, och innehåller en kvarg och en antimateriakvark.

D0-mesonen består av en charmkvark och en up-antikvark, och dess antipartikel, anti-D0, består av en charmantikvark och en uppkvark.

Denna mätning gjordes med användning av LHCbs Vertex Locator (VELO) subdetektor.