Vid Big Bang, universums födelse, för cirka 14 miljarder år sedan borde det ha bildats lika stora mängder materia som dess motsats antimateria, enligt vad forskarna tror i dag. För varje partikel bör det därmed också ha funnits en antipartikel – vilka förintar varandra om de möts.

Men i dag består vårt synliga universum i princip enbart av materia; tindrade stjärnor, galaxer och galaxhopar – så var har antimaterian försvunnit – och hur har det gått till?

– Det finns inget som tyder på att det finns några betydande mängder antimateria kvar i universum, konstaterar Karin Schönning, professor i kärnfysik vid Ångströmslaboratoriet på Uppsala universitet och Wallenberg Scholar.

– Hypotetiskt skulle det kunna finnas stjärnor gjorda av antimateria, och de skulle på avstånd se likadana ut som vanliga materiestjärnor. Men dessa borde i så fall förr eller senare komma i kontakt med stjärnor som består av materia. Därmed skulle stjärnorna förinta varandra i en explosion som alstrar mätbart ljus i form av fotoner. Men så stora mängder fotoner/ljus ser vi inga spår av i rymden, säger hon.

Studerar hadroner

Världens kärnfysiker har under lång tid sökt svar på frågan om varför antimaterian försvann. Hadronfysik är Karin Schönnings verktyg för att hitta nya ledtrådar.

Vi kommer hela tiden på nya saker som vi vill prova om de som fungerar. Men allt vi gör hänger ihop med att vi vill förstå processerna som skedde vid Big Bang.

Hadroner är ett samlingsnamn för kärnpartiklar som består av kvarkar. Kända exempel på hadroner är protoner och neutroner, vilka båda är sammansatta av tre kvarkar och kallas baryoner, men det finns även relativt vanliga men kortlivade mesoner som består av en kvark och en antikvark. Kvarkarna tillhör de minsta byggstenarna inom fysiken.

Genom att kartlägga hadroners egenskaper, som deras storlek, magnetiska egenskaper och sönderfallsmönster, försöker Karin Schönning och hennes forskargrupp förstå de krafter som format det synliga universum vi lever i.

Arbetet sker sedan 2022 delvis i Japan, där de utför avancerade experiment med detektorn Belle II i en anläggning som heter SuperKEKB i staden Tsukuba. SuperKEKB är en avancerad accelerator där man med en ny teknik krockar elektroner och antielektroner – också benämnda positroner – i väldigt höga hastigheter.

– Elektronerna och positronerna accelereras till hastigheter nära ljusets så att de kolliderar varpå det bildas ren energi. Energin omvandlas sedan till partiklar – vilka partiklar som mest sannolikt bildas beror på ”krockenergin”, säger Karin Schönning.

Bland annat bildas det en hel del baryoner, subatomära partiklar som består av tre kvarkar varav en charmkvark. Och det är dessa relativt tunga charmkvarkar som Karin Schönning nu undersöker på djupet. Mätningar av deras radie och inre magnet eller spinn, kan nämligen bringa ny kunskap om kärnfysikens standardmodell och ge ledtrådar till universums uppkomst och tidiga utveckling.

Många fysiker bedömer i dag att standardmodellen kanske inte ger det slutgiltiga svaret på hur materian är uppbyggd. Dessutom är inte alla aspekter helt kända. Detta gäller särskilt den starka kraft som verkar mellan kvarkarna och som genererar den största delen av hadronernas massa.

Eftersom både partiklar och antipartiklar bildas i krocken, med lika stor sannolikhet, är Belle II ett perfekt experiment för att undersöka universums överskott på materia. Den i dag ledande teorin bygger på att det har funnits eller finns processer i universum som anrikar materian på bekostnad av antimaterian.

Sacharovs andra villkor

En fysiker som tidigt undersökte denna ledande hypotes var den ryske kärnfysikern Andrej Sacharov. 1967 ställde han upp tre villkor som måste vara uppfyllda för att materia ska kunna anrikas dynamiskt.

Ett av dem, ”det andra villkoret”, säger att det bör finnas processer i vilka balansen, eller symmetrin, mellan materia och antimateria rubbas – och att en partikel och antipartikel inte är varandras exakta spegelbilder.

Att denna symmetri kan brytas vet forskarna i dag, mycket tack vare Belle II-experimentet föregångare Belle.

–  Att partiklar och antipartiklar inte beter sig helt symmetriskt i vissa processer utan lite olika, är något som även vi jobbar mycket med i min grupp.

Frågan gäller hur stora symmetribrotten behöver vara. De som påvisats hittills är för små för att man ska kunna säga att Sacharovs andra kriterium är uppfyllt.

Samtidigt arbetar Karin Schönning ständigt med att utveckla och dra nytta av nya idéer och med att söka efter nya metoder att undersöka sönderfallsmönstren. Gruppens arbete i Belle II-programmet har bara börjat och befinner sig i en uppbyggnadsfas.

– Vi kommer hela tiden på nya saker som vi vill prova om de fungerar. Men allt vi gör hänger ihop med att vi vill förstå processerna som skedde vid Big Bang.

Text Monica Kleja
Bild Magnus Bergström