Varför finns det något?

Alla vet vad materia är. Det är det som världen är uppbyggd av. Allt, från sandkorn till människor, stjärnor och galaxer, består av atomer. Namnet kommer från grekiskans atomos och betyder odelbar, eftersom forskarna antog att atomerna var det. Detta visade sig dock vara fel. För ungefär hundra år sedan upptäcktes att atomerna består av en kärna av protoner och neutroner omgivna av en svärm av elektroner. Men inte nog med det. På 1960-talet upptäckte fysikerna Murray Gell-Mann och Georg Zweig att själva kärnpartiklarna också är sammansatta. De består av vad Gell-Mann kallade kvarkar. Protoner består av två uppkvarkar och en nerkvark. Neutroner av en uppkvark och två nerkvarkar. Elektronen låter sig dock inte delas upp.

Detta låter ju enkelt. Men vad är antimateria? År 1928 forskade den engelske fysikern Paul Dirac i kvantmekanik, teorin om hur elementarpartiklarna interagerar med varandra. Hans ekvationer förutsade att det förutom den negativt laddade elektronen borde finnas en nästan likadan partikel, men positivt laddad. Han kallade den positron.

Fyra år senare, år 1932, upptäcktes positronen vid experiment med partikelkollisioner av den svenskättade amerikanske fysikern Carl Anderson. Det visade sig att när en positron stötte på en elektron för­intades båda varvid en ljusblixt sändes ut.

Nu började fysikerna fundera på om även andra elementarpartiklar hade antipartiklar. Och det hade de. 1955 upptäcktes antiprotonen genom kollisioner i partikel­acceleratorer. Som förutsagt förintades även den och blev till gammastrålning när den stötte på en vanlig proton.

Senare upptäcktes att även kvarkar har sina anti-motsvarigheter. Uppkvarken motsvaras av en antiuppkvark, nerkvarken av en antinedkvark och så vidare.

Sedan dess har partikelacceleratorerna blivit allt kraftfullare. Av den energi som frigörs vid kollisionerna bildas par av exotiska partiklar och antipartiklar som är varandras exakta spegelbilder och med omvända elektrisk laddningar. Antipartiklarna förintas dock snart och bara vanlig materia blir kvar.

Teoretiskt skulle det gå utmärkt att sätta ihop antikvarkar och positroner till antiatomer och bygga upp antimateria. Ja, man kunde tänka sig ett helt antimateria­universum som fungerade precis som om det bestod av vanlig materia. Man kunde tänka sig antimänniskor som levde på en antijord, som åkte antitunnelbana, åt antihamburgare och drack antiläsk. Problemet är att om antijorden kom i kontakt med vanlig materia skulle den försvinna i en explosion.

Ett hav av strålning

I själva verket, säger kosmologerna, så borde det ha bildats exakt lika mycket antimateria som materia vid Big Bang, universums födelse för 13,7 miljarder år sedan.

Jaha, men var är då antimaterian?

Jo, säger kosmologerna, när universum sedan efter en bråkdel av en sekund började svalna förenades större delen av antimaterien och materien, och förintades i ett hav av elektromagnetisk strålning. Men av någon anledning innehöll universum ungefär en miljarddel mer materia än antimateria. Och tur var det, för annars hade ingenting funnits. Det är på grund av det lilla överskottet som det överhuvudtaget finns något alls och världen ser ut som den gör.

Jaja. Men det där lilla överskottet materia, varifrån kom det? Och varför?

Här brukar forskarna börja harkla sig och flacka med blicken. Den frågan har inget bra svar. Inte än. Men det kanske kommer. Låt oss ta ett nytt kliv tillbaka i vetenskapshistorien.

två Generationer

På 1970-talet stod det klart att det i hettan vid Big Bang inte bara bildades upp- och nerkvarkar, de som vår värld är uppbyggd av, utan även ytterligare två ”generationer” kvarkar som dock sönderfallit sedan dess. Upp- och nerkvarken tillsammans med elektronen hör till generation ett. I generation två finns sär- och charmkvarken, och elektronen motsvaras av myonen. Alla dessa tre partiklar är betydligt tyngre än de i generation ett och sönderfaller snart till vanliga förstagenerationspartiklar. I generation tre finns de supertunga botten- och toppkvarkarna, och elektronen motsvaras av den tunga taupartikeln. Toppkvarken var den sista att upptäckas, det hände 1995.

Kvarkar har något som kallas färg­laddning som känner av den starka kärnkraften och håller ihop kärnpartiklarna. En kvark kan vara röd, grön eller blå (och en antikvark kan vara antiröd, antigrön eller antiblå). För att en kärnpartikel, en neutron eller proton, ska kunna finnas måste den emellertid vara färglös. Så därför måste protonen eller neutronen bestå av en röd, en grön och en blå kvark varvid färgladdningarna tar ut varandra.

Det finns också ett annat sätt att få ihop en färglös partikel: med en kvark och en antikvark med kvarkens antifärg. Sådana tvåkvarkspartiklar kallas mesoner, och de uppstår i mängder vid partikelkollisioner i acceleratorer. De lättaste kallas pi-mesoner (eller pioner) och kan bestå av en uppkvark och en antinerkvark. Men det finns också mesoner bildade av kvarkar från olika generationer. Däribland K-mesonerna (eller kaonerna) som innehåller en särkvark (eller antisärkvark).

Det visade sig att när en K-meson sönderfaller sker det inte lika symmetriskt som för andra mesoner. K-mesoner bryter den så kallade CP-­symmetrin (charge-parity), och kan förvandla sig själva från antimateria till materia. Det händer inte ofta, men det händer. Dock inte tillräckligt ofta för att ­förklara varför världen består av materia. För det krävs kraftigare symmetribrott.

Det förefaller nu som att symmetrin också bryts av B-mesoner som innehåller en bottenkvark. Eftersom bottenkvarken är så tung krävs en oerhört kraftfull partikelaccelerator för att producera B-mesoner. Men LHC – Large Hadron Collider – vid Cern i Genève kan göra det. Där finns också detektorn LHCb, specialbyggd för att undersöka hur de extremt kortlivade B-mesonerna ­sönder­faller. Dessutom ska man undersöka andra exotiska typer av mesoner – ­tetrakvarkar med två kvarkar och två antikvarkar.

Förhoppningen är alltså att nu när LHC körs i gång på allvar igen efter att stått stilla i nästan två år kan vi kanske äntligen få reda på lite mer om varför vi och världen finns.