Tålmodigt fysikpussel ska ge klarare bild av universums uppkomst

Universum är fyllt av mer materia än antimateria – själva fundamentet för att universum finns till med stjärnor, planeter och människan själv. Men varför så mycket materia överlevde Big Bang är fortfarande en gåta, liksom varför och hur den starka kraften håller samman universums materia. Som Wallenberg Academy Fellow söker Karin Schönning nya pusselbitar i strävan att lösa de olösta mysterierna.

Karin Schönning

Docent i kärnfysik

Wallenberg Academy Fellow 2016

Lärosäte:
Uppsala universitet

Forskningsområde:
Hadronfysik, särskilt studier av system, hyperoner, där lätta kvarkar bytts mot tyngre.

När universum föddes vid Big Bang för 14 miljarder år sedan skapades lika mycket materia som antimateria. I mötet borde de ha utplånat varandra, men något hände. Ett avsteg från den perfekta symmetrin ledde till att fler materiepartiklar än antimateria överlevde den stora smällen, ett överskott som var tillräckligt stort för att skapa den värld vi känner till med galaxer, stjärnor och planeter, inklusive oss själva.

Vad som egentligen hände är en fråga som gäckar fysikerna och som ständigt motiverar ny forskning, berättar Karin Schönning, som är docent i kärnfysik vid Uppsala universitet.

– Något i universums början måste ha gjort att materian blev kvar för att kunna bilda det universum vi har idag, men vi förstår ännu inte hur det kunde gå till. Vi ser det som ett jättestort pussel där vi försöker hitta några bitar var.

Söker ny kunskap om den starka kraften

Forskningen inriktas på att försöka förstå den starka kraften, som är en av naturens fyra fundamentala krafter. De övriga är gravitation, elektromagnetism och svag kraft. Den starka kraften genererar den överväldigande delen av universums synliga massa, över 98 procent. Kraften binder samman kvarkar, materians allra minsta byggstenar, till större partiklar som protoner, neutroner och andra hadroner. Den starka kraften håller också samman atomkärnorna som är uppbyggda av dessa protoner och neutroner. De masslösa partiklar som bär fram kraften kallas gluoner.

Fysiker vet någorlunda väl hur den starka kraften fungerar på korta avstånd mellan kvarkar, men mycket är diffust när det gäller förståelsen av hur den starka kraften fungerar på större avstånd.

Ledtrådar kan sökas på olika sätt. Karin Schönning har valt att fokusera på en form av proton som kallas hyperon, men som har en större massa än protonen.

– En proton består förenklat uttryckt av tre kvarkar. I hyperonen har man bytt ut en av de lättare kvarkarna mot en tyngre variant.

Hyperoner är särskilt intressanta eftersom de befinner sig i det energiområde där den starka kraften är som svårast att förstå. Mer kunskap om hyperoner kan därför bli avgörande för att nå fram till en bättre förståelse av den starka kraften.

Bygger ny forskningsanläggning i Tyskland

Forskningen bedrivs i särskilda experimentanläggningar. Karin Schönning och hennes kollegor vid Uppsala universitet deltar i uppbyggnaden av en ny högenergianläggning som döpts till PANDA vid forskningscentret FAIR i tyska Darmstadt. Projektet är ett samarbete med över 500 forskare från 17 länder och kallas ibland ett mini-CERN för kärnfysik.

– Vi behöver teoretiker för att utveckla matematiska beskrivningar och experimentalister som gör mätningar. Själv fungerar jag litet som en länk mellan teori och experiment.

PANDA kommer att ge unika förutsättningar för att studera hur hyperoner bildas ur kollisioner mellan protoner och antiprotoner. Hyperoner är instabila och bryts ner i enorma hastigheter. Livstiden är bara cirka 0,0000000001 (tio upphöjt till minus tio) sekunder. När partiklarna sönderfaller letar forskarna efter skillnader i sönderfallsmönster mellan hyperoner och antihyperoner. Målet är att utveckla metoder som är så känsliga att de kan upptäcka även små skillnader.

– Det är okänt territorium. Just nu är vi inriktade på att utveckla egna sofistikerade analysmetoder. Förhoppningen är att vi ska kunna mäta ett stort antal hyperoner och även olika sorters hyperoner. Bland annat blir det första gången som det blir möjligt att studera polarisationen hos hyperoner som enbart består av särtalskvarkar.

"Utnämningen till Wallenberg Academy Fellow betyder mycket för att kunna bibehålla nyckelpersoner och rekrytera nya forskare till min forskargrupp. Jag har bland annat kunnat förlänga en postdok och anställa en ny postdok och två doktorander. Det är förstås också hedersamt på ett personligt plan."

En blick in i hyperonernas inre

En annan del av den experimentella forskningen görs på anläggningen BES-III i Kina. Där tittar forskarna mer på strukturen hos hyperoner och försöker skapa sig en bild av hur de ser ut inuti.

– Det blir som en genomskärning av hyperonerna där vi vill se hur kvarkarna är fördelade. I hyperonerna finns inte bara tre kvarkar, utan även något som kallas sjökvarkar som bildas och förintas hela tiden. Vi undrar om vissa kvarkar gillar att sitta stilla medan andra far omkring. Frågorna är många, säger Karin Schönning.

Hon medger utan omsvep att det är svårt att förutsäga forskningens praktiska nytta. Nyfikenheten och lusten till förståelse är den stora drivkraften.

– Jag gräver gärna ner mig i forskningsproblem utan att behöva tänka på vad resultaten ska användas till en vacker dag. Men samtidigt finns stråk av existentiella frågor hela tiden närvarande i bakgrunden, för om inte fysikens lagar hade varit precis som de är så hade vi inte haft ett universum och liv hade inte kunnat bildas. Det är stora och tunga ämnen som vi vidrör.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström