Vad hände i början av universum, i de allra första ögonblicken? Sanningen är den, vi vet inte riktigt eftersom det krävs enorma mängder energi och precision för att återskapa och förstå kosmos på så korta tidsskalor i labbet. Men forskare vid Large Hadron Collider (LHC) vid CERN, Schweiz ger inte upp.

Nu har vårt LHCb-experiment mätt en av de minsta skillnaderna i massa mellan två partiklar någonsin, som kommer att tillåta oss att upptäcka mycket mer om vårt gåtfulla kosmiska ursprung.

Standardmodellen för partikelfysik beskriver de fundamentala partiklarna som utgör universum, och de krafter som verkar mellan dem. Elementarpartiklarna inkluderar kvarkar, varav det finns sex uppåt, ner, konstig, charm, överdel och underdel. På samma sätt finns det sex "leptoner" som inkluderar elektronen, en tyngre kusin som heter muon, och den ännu tyngre tauen, var och en har en tillhörande neutrino. Det finns också "antimateriapartners" av alla kvarkar och leptoner som är identiska partiklar förutom en motsatt laddning.

Standardmodellen är experimentellt verifierad till en otrolig grad av noggrannhet men har några betydande brister. För 13,8 miljarder år sedan, universum skapades i Big Bang. Teorin antyder att denna händelse borde ha producerat lika mängder materia och "antimateria". Men idag, universum består nästan helt av materia. Och det är tur, eftersom antimateria och materia förintas i en blixt av energi när de möts.

En av de största öppna frågorna inom fysiken idag är varför det finns mer materia än antimateria. Fanns det processer i spel i det tidiga universum som gynnade materia framför antimateria? För att komma närmare svaret, vi har studerat en process där materia förvandlas till antimateria och vice versa.

Kvarkar är bundna till partiklar som kallas baryoner – inklusive protoner och neutroner som utgör atomkärnan – eller mesoner, som består av kvarka-antikvark-par. Mesoner med noll elektrisk laddning genomgår ständigt ett fenomen som kallas blandning genom vilket de spontant förändras till sin antimateriapartikel, och vice versa. I denna process, kvarken förvandlas till en anti-kvark och anti-kvarken förvandlas till en kvark.

Det kan göra detta på grund av kvantmekaniken, som styr universum på minsta skala. Enligt denna kontraintuitiva teori, partiklar kan vara i många olika tillstånd samtidigt, är i huvudsak en blandning av många olika partiklar – en egenskap som kallas superposition. Det är först när du mäter dess tillstånd som den "plockar" en av dem. En typ av meson som kallas D0, till exempel, som innehåller charmkvarkar, är i en superposition av två normala materia partiklar som kallas D1 och D2. Hastigheten med vilken D0-mesonen förvandlas till sin anti-partikel och tillbaka igen, en svängning, beror på skillnaden i massor av D1 och D2.

Små massor

Det är svårt att mäta blandning i D0 mesoner, men det gjordes för första gången 2007. tills nu, ingen har tillförlitligt mätt massskillnaden mellan D1 och D2 som bestämmer hur snabbt D0 svänger in i sin antipartikel.

Vår senaste upptäckt, meddelade på Charm-konferensen, ändrar detta. Vi mätte en parameter som motsvarar en massaskillnad på 6,4x10 ^-6 elektronvolt (ett mått på energi) eller 10 ^-38 gram — en av de minsta massaskillnaderna mellan två partiklar som någonsin uppmätts.

Vi beräknade sedan att oscillationen mellan D0 och dess antimateriapartner tar cirka 630 pikosekunder (1 ps =1 miljonte miljondels sekund). Detta kan tyckas snabbt, men D0-mesonen lever inte länge – den är inte stabil i labbet och faller isär (förmultnar) till andra partiklar efter bara 0,4 pikosekunder. Så det kommer vanligtvis att försvinna långt innan denna svängning inträffar, utgör en allvarlig experimentell utmaning.

Nyckeln är precision. Vi vet från teorin att dessa svängningar följer vägen för en välbekant typ av våg (sinusformad). Mäter början av vågen mycket exakt, vi kan sluta oss till dess hela period eftersom vi känner till dess form. Mätningen fick därför nå rekordprecision på flera fronter. Detta möjliggörs av den oöverträffade mängden charmpartiklar som produceras vid LHC.

Men varför är detta viktigt? För att förstå varför universum producerade mindre antimateria än materia måste vi lära oss mer om asymmetrin i produktionen av de två, en process som kallas CP-kränkning. Det har redan visat sig att vissa instabila partiklar sönderfaller på ett annat sätt än deras motsvarande antimateriapartikel. Detta kan ha bidragit till överflöd av materia i universum – med tidigare upptäckter av det som ledde till Nobelpriser.

Vi vill också hitta CP-kränkning i processen att blanda. Om vi ​​börjar med miljontals D0-partiklar och miljontals D0-antipartiklar, kommer vi att få fler D0 normalmateria partiklar efter en tid? Att känna till oscillationshastigheten är ett viktigt steg mot detta mål. Även om vi inte hittade en asymmetri den här gången, vårt resultat och ytterligare precisionsmätningar kan hjälpa oss att hitta det i framtiden.

Nästa år, LHC kommer att slås på efter en lång avstängning och den nya uppgraderade LHCb-detektorn kommer att ta mycket mer data, öka känsligheten för dessa mätningar ytterligare. Under tiden, teoretiska fysiker arbetar med nya beräkningar för att tolka detta resultat. LHCb-fysikprogrammet kommer också att kompletteras med Belle-II-experimentet i Japan. Det här är spännande möjligheter för att undersöka asymmetri mellan materia och antimateria och mesonernas svängningar.

Även om vi ännu inte helt kan lösa universums mysterier, vår senaste upptäckt har lagt nästa bit i pusslet. Den nya uppgraderade LHCb-detektorn kommer att öppna dörren till en era av precisionsmätningar som har potential att avslöja ännu okända fenomen – och kanske fysik bortom standardmodellen.

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