Zašto postojimo? To je nedvojbeno najdublje pitanje koje postoji i može se činiti posve nevezanim s fizikom elementarnih čestica. No, novi eksperiment u CERN-ovom Velikom hadronskom sudaraču doveo nas je korak bliže otkriću.

A da bismo razumjeli zašto, moramo se vratiti 13,8 milijardi godina u prošlost, sve do Velikog praska. Taj je događaj proizveo jednake količine tvari od koje smo napravljeni i nečega što se zove antimaterija. Vjeruje se da svaka čestica ima gotovo identičnu antimateriju, ali suprotnog naboja. Kada se čestica i njezina antičestica susretnu, one se međusobno pobijaju i nestaju.

Otkriven novi izvor asimetrije

Zašto je svemir koji danas vidimo sazdan iz materije, jedna je od najvećih tajni moderne fizike. Da je ikad postojala jednaka količina antimaterije, sve u svemiru bilo bi uništeno. CERN-ovo istraživanje otkrilo je novi izvor te asimetrije između materije i antimaterije.

Antimateriju je spominjao Arthur Schuster 1896. godine, teoriju je postavio Paul Dirac 1928., a Carl Anderson otkrio ih je 1932. u obliku anti-elektrona, pozitrona. Pozitroni se javljaju u prirodnim radioaktivnim procesima, kao što je propadanje kalija-40. To znači da prosječna banana (koja sadrži kalij) emitira pozitron svakih 75 minuta. Oni tada uništavaju elektrone tvari da bi proizveli svjetlo. Medicinske primjene kao što su PET skeneri proizvode antimateriju u istom procesu.

Temeljni građevni blokovi materije koji sačinjavaju atome elementarne su čestice - kvarkovi i leptoni. Postoji šest vrsta kvarkova: gore, dolje, čudno, šarm, dno i vrh. Slično tome, postoji i šest leptona: elektron, muon, tau i tri neutrina. Tu su i antimaterijalne kopije ovih dvanaest čestica koje se razlikuju samo po svom naboju.

Zašto se stvara više materije nego antimaterije?

Čestice antimaterije u načelu bi trebale biti savršene zrcalne slike njihovih normalnih pratilaca. No eksperimenti pokazuju da to nije uvijek slučaj. Neutralni mezoni imaju fascinantnu osobinu: mogu se spontano pretvoriti u svoj anti-mezon i obratno. No eksperimenti su pokazali da se to više događa u jednom smjeru, stvaranjem više materije nego antimaterije.

Otkriveno je da samo one čestice koje uključuju čudne i donje kvarkove pokazuju takve asimetrije. Prvo promatranje asimetrije s čudnim česticama 1964. omogućilo je teoretičarima predviđanje postojanja šest kvarkova - u vrijeme kada su bila poznata samo tri. Otkriće asimetrije čestica dna 2001. bilo je konačna potvrda mehanizma koji je doveo do slike o šest kvarkova. I oba otkrića dovela su do Nobelove nagrade.

I čudni i donji kvark nose negativni električni naboj. Šarm je jedini pozitivno nabijeni kvark koji u teoriji može oblikovati čestice koje mogu pokazati asimetriju materije-antimaterije. Teorija sugerira da bi učinak trebao biti malen i da ga je teško otkriti.

Čarobni kvarkovi i čestice šarma

No, eksperiment LHCb sada je uspio promatrati asimetriju D mezona, najlakših čestica koje sadrže čarobne kvarkove. To je moguće zahvaljujući nevjerojatnoj količini čestica šarma proizvedenih izravno u sudarima LHC-a.

Ako ta asimetrija ne dolazi iz istog mehanizma koji uzrokuje asimetrije čudnih i donjih kvarkova, to ostavlja prostor za nove izvore asimetrije materije-antimaterije. To je važno jer nekoliko poznatih slučajeva asimetrije ne može objasniti zašto svemir sadrži toliko materije. Samo otkriće šarma neće biti dovoljno da popuni tu prazninu, ali će pomoći u razumijevanju interakcija temeljnih čestica.

U potrazi za antimaterijom kozmičkog podrijetla

Antimaterijom se bavi niz drugih eksperimenata. Cjeloviti anti-atomi proizvode se u CERN-ovom Antiprotonskom deceleratoru. AMS-2 eksperiment na Međunarodnoj svemirskoj stanici traga za antimaterijom kozmičkog podrijetla. Niz sadašnjih i budućih eksperimenata bavit će se pitanjem postoji li asimetrija antimetrije i materija među neutrinima.

Iako još uvijek ne možemo u potpunosti riješiti zagonetku asimetrije materije-antimaterije svemira, najnovije otkriće otvorilo je vrata eri preciznih mjerenja koja bi mogla otkriti još nepoznate fenomene. Ima razloga za optimizam da će fizika jednom uspjeti objasniti zašto smo uopće ovdje.