​Ny metod att studera materia och antimateria i universum

Uppsalaforskare har utvecklat en ny metod som gör det möjligt att studera skillnader mellan materia och antimateria i universum. De har därefter även i ett internationellt samarbete kunnat visa att metoden fungerar.

I den experimentella studien, som publiceras i Nature Physics, har Uppsalaforskarna för första gången kunnat bekräfta att den metod som de tidigare utvecklat fungerar experimentellt. Forskningen gör det möjligt att framöver kunna göra ytterligare mätningar med hög precision som skulle kunna ge ledtrådar till varför universum idag till största delen består av materia, trots att det vid Big Bang skapades lika stor andel materia som antimateria.

Forskningen bedrivs av runt 500 forskare i 14 länder inom det kinesiska partikelfysikexperimentet BESIII och Uppsalaforskarna har haft en ledande roll både i att ta fram metoden som använts samt i de mätningar som gjorts för att bekräfta att metoden fungerar.

Forskarna har låtit elektroner och positroner kollidera med varandra för att skapa materia-antimateriaparet ΛΛ‾. Materia-antimateriaparet ΛΛ‾ är ett sammanflätat system och tidigare har man inte trott att det har varit möjligt att särskilja hur de båda partiklarna Λ och Λ‾ beter sig individuellt, men i och med mätningarna vid BESIII-experimentet har man bekräftat att det faktiskt är möjligt.

– Syftet med studien har varit att utforska gränserna för vår förståelse av naturen och att hitta fenomen som inte kan förklaras av de nuvarande teorierna. Detta har vi gjort genom att studera en exotisk partikel, en så kallade lambdahyperon, Λ, som liknar en neutron men som är uppbyggd av en särkvark istället för en nedkvark, säger Andrzej Kupsc, en av forskarna vid Uppsala universitet som gjort upptäckten.

I experimentet har man kunnat se att partiklarna Λ och Λ‾ är spinnpolariserade. Att de är spinnpolariserade är den nödvändiga förutsättningen för att Λ och Λ‾-partiklarna kan studeras individuellt och om det skulle finnas en skillnad i hur de båda partiklarna sönderfaller, skulle det vara möjligt att kunna observera det. Om sönderfallen för de båda partiklarna beter sig olika skulle man få ett så kallat CP-symmetribrott som skulle ge en förståelse till gåtan om det förhållande som gäller mellan materia och antimateria i universum. Det skulle i så fall ge en inblick i det tidiga universums villkor och bidra till upptäckter om ny fysik.

Från denna precisionsmätning upptäckte man dessutom att tidigare resultat som beskriver Λ-partikelns sönderfall visat sig vara felaktiga med närmare 20%. Med det nya resultat från BESIII-experimentet kommer 100-tals resultat som bygger på det gamla felaktiga värdet att behöva revideras genom att antingen analysera resultaten på nytt eller göra om de tidigare mätningarna.

Även om resultatet precis offentliggjorts så har det varit känt inom BESIII-samarbetet under en längre tid.

– Vi har redan påbörjat flera uppföljningsstudier inom BESIII-kollaborationen som bygger på de nya teoretiska och experimentella upptäckterna. Bland annat undersöker vi just nu Λ-partikelns tyngre kusin, Ξ [ksi] som till och med är mer känslig för CP-symmetri än vad Λ är. Det gör att vi kommer kunna utföra ännu mer precisa tester av universums materia-antimateriaasymmetri i den här typen av exotiska system. Eftersom vi på Uppsala universitet har både det teoretiska och experimentella kunnandet har detta gjort oss till världsledande inom detta nya spännande forskningsområde, säger Patrik Adlarson, forskare vid Uppsala universitet och delaktig i BESIII-experimentet.

För mer information:

Andrzej Kupsc, forskare vid institutionen för fysik och astronomi, andrzej.kupsc@physics.uu.se, tel: 018-471 3439

M. Ablikim et al;  Polarization and entanglement in baryon–antibaryon pair production in electron-positron annihilation, http://dx.doi.org/10.1038/s41567-019-0494-8

Tidigare studie i Physics Letters B 10.1016/j.physletb.2017.06.011