Den sista delen av en helt ny detektor har avslutat den första delen av sin resa mot att låsa upp några av universums mest bestående mysterier.

Vertex Locator (VELO) på 41 miljoner pixlar monterades vid University of Liverpool. Den sattes ihop av komponenter tillverkade vid olika institut innan den reste till sitt hem vid Large Hadron Collider beauty (LHCb) experimentet vid CERN.

När den har installerats i tid för datainsamling kommer den att försöka svara på följande frågor:

• Varför är universum gjort av materia, inte antimateria?
• Varför finns det överhuvudtaget?
• Vad finns mer där ute?

En fin balans i tidens och rummets gryning

I ögonblicken omedelbart efter Big Bang, fångades universum i en fin balans mellan materia och antimateria.

Vad vi förstår om naturlagarna borde dessa former av materia ha utplånat varandra och lämnat efter sig ett universum fyllt enbart med ljus. Ändå, mot alla odds, fick materien på något sätt fördelen och något fanns kvar för att bilda det universum vi känner idag.

Vår bästa förståelse av Big Bangs fysik säger oss att materia och antimateria skapades i lika stora mängder. När de fick kontakt i det (mycket mindre och mycket tätare) tidiga universum, borde all deras kombinerade massa våldsamt ha omvandlats till ren energi. Varför och hur materia överlevde mötet är ett av de djupaste mysterierna inom modern vetenskap.

Den nuvarande teorin är att även om materia och antimateria skapades som nästan perfekta spegelbilder, måste det ha funnits någon liten obalans, eller fläck. Detta gjorde att vissa inte var perfekta reflektioner. Denna skillnad, hur liten den än är, kan ha varit tillräcklig för att ge materia kanten.

Genom glaset

Forskare har redan hittat en liten spricka i spegeln, kallad charge-parity (CP) överträdelse. Detta innebär att i vissa fall bryts materiens symmetri och antimateriareflektion.

Detta resulterar i en partikel som inte är den perfekta motsatsen till sin tvilling, och denna "brutna symmetri" kan betyda att en partikel kan ha en fördel framför den andra.

När denna symmetri bryts kan en antimateriapartikel sönderfalla i en annan takt än sin materiamotsvarighet. Om tillräckligt många av dessa kränkningar inträffade efter Big Bang, kan det förklara varför materien överlevde.

Genom att bete sig annorlunda än deras antimateria-ekvivalenter är det möjligt att materiepartiklar med bruten symmetri tog bara lite längre tid att sönderfalla. Om detta fick materia att stanna kvar bara lite längre, kan det förklara hur det var den sista som stod.

Det djupa okända

Varför materia överlevde är inte det enda mysteriet i universum. Det finns en annan fråga som förbryllar forskare:vad kan mörk materia vara?

Mörk materia är en svårfångad, osynlig typ av materia som tillhandahåller gravitationslimmet för att hålla stjärnorna i rörelse runt galaxer. Eftersom vi ännu inte vet vad mörk materia är, kan det vara så att det finns andra, nya partiklar och krafter i universum som vi ännu inte har sett.

Att upptäcka något nytt kan avslöja en radikalt annorlunda bild av naturen än den vi har. Nya partiklar som dessa skulle kunna presentera sig själva genom att subtilt ändra hur partiklarna vi kan se beter sig och lämna små men detekterbara spår i vår data.

Skönheten och charmen med VELO

Den nya VELO-detektorn, som kommer att ersätta den gamla VELO-detektorn, kommer att användas för att undersöka de subtila skillnaderna mellan materia- och antimateriaversioner av partiklar som innehåller subatomära partiklar. Dessa är kända som skönhetskvarkar och charmkvarkar.

Dessa exotiska kvarkinnehållande partiklar, även kända som B- och D-mesoner, produceras under kollisioner inom Large Hadron Collider (LHC). De är svåra att studera eftersom mesoner är mycket instabila och förfaller ur existens inom en bråkdel av en bråkdel av en sekund.

Men när de förfaller förvandlas de faktiskt till något annat. Forskare tror att genom att studera dessa olika sönderfall och deras egenskaper kommer VELO-data att hjälpa LHCb att avslöja naturens grundläggande krafter och symmetrier.

Otroligt exakta mätningar

Den nya VELO-detektorn kommer att sitta så nära som möjligt där partiklarna kolliderar i LHCb-experimentet. Dessa partiklar sönderfaller på mindre än en miljondels miljondels sekund och färdas bara några millimeter. Därför kommer denna närhet att ge enheten bästa möjliga chans att mäta deras egenskaper.

VELO:s känslighet och närhet till LHC:s strålar gör att den kan ta otroligt exakta mätningar av partiklarna när de sönderfaller.

Genom att jämföra dessa avläsningar med förutsägelser gjorda av standardmodellen (den vägledande teorin för partikelfysik) kan forskare leta efter avvikelser som kan antyda nya partiklar i naturen. De kan också leta efter CP-kränkningar eller andra skäl till varför materia och antimateria beter sig olika.

Dessa avvikelser kan revolutionera vår förståelse av varför universum är vad det är.

Byggar på arvet från det gamla

VELO kan vara helt ny och banbrytande men den kommer att bygga vidare på arvet från den tidigare VELO-detektorn. VELO har en toppmodern pixeldetektor som består av rutnät av små kvadrater av kisel som ger hög upplösning även i den utmanande strålningsmiljön nära LHC-strålarna.

Dess föregångare, med sina rader av staplade kiseldetektorer, hjälpte LHCb att göra upptäckter, inklusive:

• Nya materiatillstånd.
• Otroligt sällsynt skönhetskvarg förmultnar.
• Skillnader mellan materia och antimateria charmkvarkar.
• Den första spännande indikationen på ännu oförklarat beteende i skönhetskvarkförfall.

Glimtar av partikelbeteende

Storbritanniens VELO-projektledare professor Themis Bowcock, från University of Liverpool, sa:"Datan som fångats av den gamla VELO-detektorn har gett oss riktigt lockande glimtar av partikelbeteende. För att göra framsteg måste vi omvandla detta till en riktigt grundlig, rättsmedicinsk undersökning och det är här den nya VELO-detektorn kommer in. Den ger oss den exakta uppsättningen ögon vi behöver för att observera partiklar på den detaljnivå vi behöver. VELO gör helt enkelt hela vårt fysikprogram möjligt på LHCb."

Okänd detalj

Nya VELO kommer att kunna fånga dessa förfall i oöverträffad detalj.

Kombinera detta med uppgraderad programvara och supersnabb avläsningselektronik som gör att skönhets- och charmkvarkar kan identifieras i realtid. Forskare kommer att ha en enhet som låter dem spåra och analysera sönderfall som tidigare var för svåra att rekonstruera.

Det som också gör den nya VELO-detektorn unik är att forskare kan lyfta den ur vägen när de förbereder partikelstrålarna för kollisioner. Sedan kan de flytta den mekaniskt på plats när LHCb är redo att samla in data.

Detta gör det möjligt för forskare att fånga tydlig information från de första partiklarna som strålar ut från kollisionerna utan onödigt slitage från strålen. + Utforska vidare

Subatomär partikel ses ändras till antipartikel och tillbaka