De grootste deeltjesversneller neemt een kortstondig onevenwicht tussen materie en antimaterie waar.

De grootste deeltjesversneller op aarde, de Large Hadron Collider ( LHC ) in Zwitserland, heeft voor het eerst een asymmetrie tussen materie en antimaterie waargenomen die fundamenteel is voor het bestaan van het heelal en die verschijnselen aan het licht kan brengen die buiten de bekende natuurkunde vallen.

Het LHCb- experiment heeft deze onbalans waargenomen in baryonen, deeltjes bestaande uit drie quarks, zoals neutronen en protonen, die de kernen van atomen vormen. Levende wezens, planeten, sterren en sterrenstelsels bestaan uit dit type materie, dat 5% van het heelal uitmaakt. Deze ontdekking is cruciaal om de juistheid van de huidige natuurkundige theorieën te testen en kan de weg vrijmaken voor het begrijpen van de resterende 95% van de kosmos.

Het LHCb-experiment bestudeert het verval van elementaire deeltjes die ontstaan na de botsing van protonen die met bijna de lichtsnelheid in de LHC bewegen. Ondanks de ongeëvenaarde kracht van deze versneller waren er sinds 2011 gegevens verzameld – zo'n 80.000 baryonvervallen – om voor het eerst een lichte onbalans in het voordeel van materie waar te nemen. De waargenomen asymmetrie bedraagt gemiddeld 2,45%, maar overschrijdt af en toe de 5%. De resultaten van dit experiment, waaraan 1600 wetenschappers uit 22 landen deelnemen, worden vandaag gepubliceerd in De natuur , een maatstaf voor de beste wetenschap ter wereld.

De 34-jarige Galicische natuurkundige María Vieites is plaatsvervangend natuurkundecoördinator bij de LHCb. "Ons universum bestaat uit materie, en het Standaardmodel verklaart niet volledig waarom", legt ze uit, verwijzend naar de huidige theorie die de deeltjesfysica beschrijft. Het probleem is dat dit raamwerk donkere materie , die ongeveer 27% van het universum uitmaakt, niet beschrijft, noch donkere energie, die 68% uitmaakt.

"We hebben nieuwe bronnen nodig voor de onbalans tussen materie en antimaterie, en met deze studie observeren we deze verschillen op een nieuw gebied, juist in het type conventionele materie, dat meer lijkt op dat waaruit atoomkernen bestaan", benadrukt deze onderzoeker van het Galicische Instituut voor Hoge-Energiefysica . "Deze resultaten hebben veel werk gekost, omdat we het over zeer, zeer zeldzame processen hebben", voegt ze eraan toe. De medewerkers van het LHCb hebben biljoenen botsingen tussen protonen geanalyseerd en het verval van lambda-b-baryonen geïsoleerd, de veelbelovende deeltjes voor deze metingen, legt Vieites uit. "Voorlopig zijn de gegevens waarschijnlijk compatibel met het Standaardmodel", erkent de wetenschapper, "maar uiteindelijk weten we dat het onvolledig is en op een gegeven moment zal falen."

Deeltjesfysici geloven graag dat de natuur symmetrie respecteert, maar als dat zo was, zou het universum niet bestaan. De oerknaltheorie stelt dat het universum 13,7 miljard jaar geleden ontstond met een identieke hoeveelheid materie en antimaterie. Deze deeltjes zijn symmetrisch, net als een echt object en zijn spiegelbeeld, maar tegengesteld geladen, dus ze zouden in een enorme lichtflits uiteen moeten vallen. De kosmos bestaat tegenwoordig echter bijna volledig uit baryonische materie, de materie waaruit atomen bestaan, en nauwelijks uit antimaterie.

Het eerste directe bewijs van asymmetrie werd waargenomen in 1964 – op het hoogtepunt van de Koude Oorlog – in wat toen 's werelds grootste deeltjesversneller was, Brookhaven National Laboratory in de Verenigde Staten. De faciliteit was gebouwd om deeltjesfysica te onderzoeken na de immense investering in het Manhattan Project , dat culmineerde in de atoombommen op Hiroshima en Nagasaki. Bij die gelegenheid werd de discrepantie ontdekt in een type deeltje dat bekendstaat als een meson, bestaande uit een quark en een antiquark.

Drie jaar later ontwikkelde de Russische natuurkundige Andrej Sacharov , die de krachtigste atoombommen ooit op aarde voor de Sovjet-Unie had ontwikkeld – en later de Nobelprijs voor de Vrede won voor zijn waarschuwing voor het verschrikkelijke potentieel van dergelijke wapens – een belangrijke theorie. Hij stelde dat het de asymmetrie van baryonen was die verantwoordelijk was voor het ontstaan van een universum vol materie. Zijn voorstel impliceerde dat, fracties van een seconde na de oerknal, een fenomeen dat bekend staat als schending van de ladingspariteitssymmetrie plaatsvond tussen materie en antimaterie. Voor elke miljard antimateriedeeltjes zouden er één miljard en één materiedeeltjes zijn. Uit deze kleine onbalans zou het volledige waarneembare universum zijn ontstaan, waarbij materie zijn tegenpool zou domineren. Sinds Sacharov deze voorspelling bijna 60 jaar geleden deed, is deze nooit bevestigd.

"Dit is de eerste keer dat dit fenomeen in deze deeltjes is waargenomen, en daarom is het belangrijk", redeneert theoretisch natuurkundige Juan Antonio Aguilar . "Theoretisch gezien is het mogelijk dat wat we hebben waargenomen nieuwe natuurkunde is [verschijnselen buiten het Standaardmodel], maar voorlopig kan het niet worden bewezen omdat de berekeningen te complex zijn", voegt de onderzoeker van het Instituut voor Theoretische Fysica (UAM-CSIC) in Madrid eraan toe.

De discrepantie tussen materie en antimaterie die door het Standaardmodel wordt voorspeld, is veel kleiner dan die welke in het heelal wordt waargenomen. Dit impliceert dat er meer bronnen van asymmetrie moeten zijn. Een mogelijk mechanisme is het bestaan van onbekende deeltjes die de overheersing van materie over antimaterie vergroten. Onder deze deeltjes zou donkere materie kunnen zijn. De beweging van sterren en sterrenstelsels in het heelal heeft het bestaan van deze substantie ondubbelzinnig aangetoond door zijn zwaartekracht. De deeltjes waaruit het bestaat, zijn echter nooit geproduceerd, mogelijk vanwege de zwakke interactie met conventionele materie. Het opsporen van donkere materie is het hoofddoel van de LHC , die binnenkort een herontwerpfase zal beginnen om het aantal protonbotsingen te verhogen, wat uiteindelijk zou kunnen leiden tot de ontdekking van onbekende deeltjes.