Kvantsammanflätning för precisionsstudier av materia och antimateria

Forskare från Uppsala universitet har kommit ett litet steg närmare gåtan om varför universum består av så mycket mer materia än antimateria. Resultaten har nyligen publicerats i tidskriften Nature.

Uppsalaforskarna har tidigare använt sig av en ny metod för att leta efter skillnader mellan hur materia och antimateria växelverkar. I denna nya studie, som genomförts vid BESIII-experimentet i Peking, Kina, har de kunnat mäta skillnader i sönderfallsmönster hos partiklar och antipartiklar med större precision än vid tidigare experiment. Det har uppnåtts genom att de analyserat kvantsammaflätade partikelpar som sönderfaller i flerstegsprocesser, vilket gör att man kan separera de olika krafter som spelar in.

Trots att lika delar materia och antimateria borde skapats vid Big Bang, tyder allt på att universum närmast uteslutande består av materia. Den ledande hypotesen för att förklara denna skillnad är att en mekanism som kallas Baryogenesis har genererat materieöverskottet. Men för att detta över huvud taget ska vara möjligt måste fysikens lagar innefatta så kallade CP-brytande processer. CP är en förkortning för Charge conjugation and Parity, vilket förenklat betyder att partiklar och antipartiklar följer samma lagar, men med spegelvända rörelsemönster.

Genom att studera dessa mönster kan forskarna få ledtrådar till den försvunna antimateriens gåta. Partikelfysikens oerhört framgångsrika Standardmodell förutspår små CP-brott, men dessa är alldeles för små för att kunna förklara överskottet av materia. Så frågan om skillnaden mellan materia och antimateria i universum är starkt sammanlänkad med jakten på fysik bortom Standardmodellen.

Hyperoner, som är protonens tyngre och instabila syskon, är ett kraftfullt sökinstrument tack vare att dess mätbara spinnegenskaper är särskilt känsliga för CP-brott. Tidigare studier har visat lovande resultat för kvantsammanflätade hyperon-antihyperonpar. En försvårande omständighet är att hyperoner och andra kvarksystem sönderfaller genom komplexa processer, där både den svaga och den starka kraften spelar in. Det är de svaga processerna som förväntas vara CP-brytande, men dessa signaler kan maskeras av den starka kraften och blir därmed svåra att upptäcka. Hyperoner med dubbelt särtal, så kallade kaskadhyperoner, gör det möjligt att skilja den starka kraftens bidrag från den svaga kraftens. Detta har utnyttjats för första gången i Uppsalagruppens studie.

Den data som studien bygger på har samlats in vid den internationella experimentanläggningen BESIII i Peking, i ett samarbete med nästan 500 forskare världen över. I BESIII kolliderar elektroner med dess antipartikel positronen, och ur energin som bildas kan de eftertraktade sammanflätade kaskadparen bildas. Sammanflätningen innebär i detta fall att hyperonens och antihyperons inre magnetriktning, eller spinn, är sammanflätade. Därigenom samvarierar deras sönderfallskedjor och det är dessa samvariationer som mäts. De CP-test man kan konstruera utifrån dessa är oerhört precisa, men trots att de föreslogs för mer än 30 år sedan har de inte kunnat testas experimentellt förrän nu.

De nya resultaten visar dock inte på några CP-brott. Uppsalaforskarna tror dock att när man i framtiden använder denna banbrytande metod på större datamängder, finns hopp om att hitta, eller utesluta, CP-brott bortom Standardmodellen. BESIII har redan samlat en ihop en större datamängd som möjliggör än mer precisa mätningar. Ett annat sådant experiment är det framtida PANDA i Tyskland, som Uppsala universitet varit engagerad i sedan starten och har en ledande roll i.

BESIII-experimentet:
Forskningen bedrivs av runt 500 forskare i 14 länder inom det kinesiska partikelfysikexperimentet BESIII där Uppsala universitet är med sedan 2012. Uppsalaforskarna har initierat och lett studien, med en metod som utvecklats av lokala teoretiker.

För mer information kontakta:
Patrik Adlarson, forskare vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, 0736-762553, patrik.adlarson@physics.uu.se
Karin Schönning, professor vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, 0705-109419, karin.schonning@physics.uu.se
Andrzej Kupsc, forskare vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, 0733-661875, andrzej.kupsc@physics.uu.se

Artikelreferens: BESIII Collaboration (2022) Probing CP symmetry and weak phases with entangled double-strange baryons, Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-04624-1