Vi skulle inte finnas till

Text: Tord Ekelöf

Enligt big bangteorin uppstod lika stora mängder av materia och antimateria ur energin i det starkt koncentrerade ljuset vid universums skapelse. (Skillnaden mellan de två slagen av materia är bland annat att beståndsdelarna i antimateria har omvänd elektrisk laddning jämfört med vanlig materia. Antimateriens protoner – alltså antiprotoner – är sålunda negativt laddade. När de två slagen av materia träffar på varandra förintas de i en blixt.)

Den nuvarande fysikaliska teori som beskriver materiens minsta komponenter kallas standardmodellen. Den ger en detaljerad beskrivning av de elementarpartiklar som bygger upp den kända materien i universum. Dessa har alla upptäckts och studerats vid världens partikelfysiklaboratorier, och deras egenskaper har visat sig stämma i detalj med standardmodellens förutsägelser.

Men med ett viktigt undantag! År 1998 upptäcktes faktiskt att tre av elementarpartiklarna som skiljer sig från de övriga genom att vara mycket klena och undflyende (olika varianter av så kallade neutriner) avviker från modellen. Vi ska strax se vad det betyder.

Standardmodellen och big bang
Enligt standardmodellen borde alltså den materia och den antimateria som uppkom i big bang genast ha förintat varandra. Den materia som universum och vi själva består av borde inte finnas till.

Men universum och vi själva finns ju! Någon typ av asymmetri mellan materia och antimateria måste ha uppstått i processen.
Fram till 1956 var det en fast rotad föreställning bland fysiker att naturen på den mest grundläggande nivån, elementarpartikelnivån, är så kallat paritetssymmetrisk. Det innebär att ett visst händelseförlopp bland elementarpartiklarna är lika vanligt som händelseförloppets spegelbild. Men 1956 visade mätningar av strålningen från ett nerkylt radioaktivt preparat placerat i ett magnetfält att så inte är fallet. Denna upptäckt var det första beviset för att det finns en asymmetri mellan höger och vänster på elementarpartikelnivån. Upptäckten belönades redan 1957 med Nobelpriset i fysik.

Föreställningen att naturen har en inneboende symmetri övergavs ändå inte så lätt. Forskarna föreställde sig att om man för ett visst händelseförlopp på elementarpartikelnivå byter höger och vänster mot varandra, och samtidigt byter positiv och negativ elektrisk laddning, så skulle händelseförloppen vara lika vanliga. Men 1964 visade ett experiment med en stråle av elementarpartiklar från en accelerator att det inte förhåller sig så. Även denna upptäckt ansågs så betydelsefull att den 1980 belönades med Nobelpriset i fysik.

Dessa två experimentresultat har gjort det möjligt för fysikerna att börja förstå asymmetrin mellan materia och antimateria.

Inte heller är den materia som vi i dag har omkring oss symmetrisk med avseende på positiv och negativ elektrisk laddning. Den består av atomer som har positivt laddade kärnor omgivna av negativt laddade elektroner. Vi kan inte se att det någonstans i universum skulle finnas materia som består av antimateria, alltså antiatomer med negativt laddade kärnor och positiva elektroner (så kallade positroner).

Ändå finns det faktiskt antimateria och den används varje dag på våra sjukhus! I så kallade PET-kameror, där man avbildar människokroppens inre, används nämligen elektronens antipartiklar, positroner. Här utnyttjar man just den omständigheten att de båda slagen av materia förintar varandra.

Det går till så att ett radioaktivt preparat som strålar ut positroner injiceras i patienten. Preparatet ansamlas i den kroppsdel som ska avbildas, och där krockar de utstrålade positronerna med elektroner i patientens egen kroppsvävnad. Vid kollisionen förintas både positronerna och elektronerna, varvid det uppstår röntgenstrålar som kan detekteras utanför patientens kropp. Härigenom blir det möjligt att konstruera en bild av den aktuella kroppsvävnaden.

Antipartiklar finns sålunda i naturen – men inte i stabil form, utan bara i radioaktiv strålning.

Vi kan också skapa antipartiklar i våra acceleratorlaboratorier. När en högenergetisk proton frontalkrockar med annan högenergetisk proton skapas partiklar och antipartiklar ur den kollisionsenergi som frigörs. Det motsvarar vad som skedde när partiklar och antipartiklar skapades ur den intensiva ljusenergin i big bang.

För varje skapad partikel skapas alltid en antipartikel. Det är det som utgör den experimentella grunden för antagandet att exakt lika stora mängder materia och antimateria uppkom i big bang.

Utsikten att skapa och isolera större mängder antimateria i en behållare har frestat många. Men det har visat sig praktiskt omöjligt, även om en populär spelfilm med titeln Änglar och demoner bygger på just den idén. Här stjäls ett gram antimateria producerat på CERN-laboratoriet i Genève och fraktas till Rom för att där användas i en bomb med vilken Vatikanen skulle förstöras.

Materia och antimateria skapas
I big bang skapades sålunda materia och antimateria ur en enormt hög täthet av energi. Denna energi hade formen av så kallade strålningskvanta.

Enligt kvantmekaniken består ljus av en ström av strålningskvanta, eller fotoner (ljuspartiklar) som de också kallas. Strålningskvanta kan ha olika mängd energi men de har ingen massa. Fotoner skiljer sig i detta avseende från de elementarpartiklar som bygger upp materien, vilka alla har massa.

Alldeles efter big bang – under den första bråkdelen av en sekund – genomgick universum en oerhört snabb expansion. I det ögonblicket omvandlades fotonernas energi till par av partiklar och antipartiklar. Varje strålningskvantum gav upphov till en partikel och en antipartikel, varav följer att det vid big bang uppstod samma antal partiklar som antipartiklar i universum.

Även om partiklar och antipartiklar flög iväg åt olika håll när de skapades, så träffade de förr eller senare (men fortfarande inom en bråkdels sekund efter big bang) en motpart och förintades. Då uppstod par av strålningskvanta på samma sätt som när positroner träffar på elektroner i PET-kameran.

Man har uppmätt att det i varje kubikmeter av världsrymden finns i medeltal en miljard strålningskvanta. De utgör restprodukten efter förintelsen av ett jämnstort antal partiklar och antipartiklar strax efter big bang.

Så långt är allting väl. Men i varje kubikmeter av världsrymden finns också i medeltal en proton och en elektron. Men ingen antiproton och ingen positron. Hur är det möjligt att det blev materia kvar – må vara en enormt liten andel, bara en miljarddel av den materia och antimateria som skapades i big bang – men ingen antimateria? Hur uppstod denna asymmetri mellan materia och antimateria utan vilken varken galaxer, stjärnor, planeter eller vi själva funnes till?

Det är här som den ovan nämnda upptäckten 1998 av att neutrinerna avviker från standardmodellen kommer in.

Neutrinooscillationer upptäcks
Enligt standardmodellen saknar neutrinerna massa. Men för ett drygt kvartssekel sedan observerade forskarna så kallade neutrinooscillationer, vilket 2015 belönades med Nobelpris. Den häpnadsväckande upptäckten innebär att en viss andel så kallade myonneutriner, utsända i en stråle, efter bara några bråkdelar av en sekund omvandlas till en annan variant, så kallade elektronneutriner. Andelen elektronneutriner ökar med tiden till en viss maximal andel och avtar därefter igen. Denna uppgång och nedgång av andelen elektronneutriner upprepas periodiskt.

Neutrinooscillationer kan endast förklaras om neutrinerna, liksom alla andra elementarpartiklar som bygger upp materien, faktiskt har massa och om de olika neutrinernas massor ligger mycket nära varandra. Enligt kvantmekaniken kan nämligen partiklar med snarlika massor övergå i varandra, fram och tillbaka.

En följd av att neutrinerna har massa och oscillerar är att de kan uppvisa precis den typ av asymmetri mellan höger och vänster och mellan positiv och negativ laddning som krävs för att förklara att det finns materia i universum men ingen antimateria. Flera olika nya teorier som beskriver neutrinernas asymmetri och mängden av materia i universum har redan formulerats. Det som skiljer dessa teorier åt är den förmodade storleken på neutrinernas asymmetri. För att kunna identifiera den korrekta av dessa teorier måste därför storleken på neutrinernas asymmetri mätas med hög precision.

Var kan då en sådan hög precisionsmätning av neutrinernas asymmetri bäst utföras?

ESS-laboratoriet i Lund
Den protonaccelerator som håller på att byggas vid ESS-laboratoriet i Lund kommer att accelerera tio miljoner miljarder (10¹⁶) protoner per sekund. Det är mer än vad någon annan existerande eller planerad accelerator i världen klarar. ESS-acceleratorns ursprungliga syfte var att möjliggöra världsledande studier av olika typer av material och strukturer på atomär nivå. Det höga flödet av protoner kommer emellertid även att möjliggöra unika studier på elementarpartikelnivå.

Neutriner växelverkar oerhört svagt med materia och är därför mycket svåra att detektera. Med ESS kommer det att bli möjligt att skapa dels en neutrinostråle, dels en antineutrinostråle, båda med världsunikt hög intensitet. Därmed möjliggörs ytterst precisa mätningar av neutrinernas och antineutrinernas oscillationer och därmed av deras asymmetri. I förlängningen betyder det att vi har mycket goda chanser att med en ny teori – som alltså kompletterar eller rentav ersätter standardmodellen – förklara den asymmetri mellan materia och antimateria som har lett till att det efter big bang finns kvar en hel del materia.

Eller annorlunda uttryckt: hur det kommer sig att universum och vi själva finns till.