Vi er her fordi det finnes mer materie enn antimaterie. Men vi vet ikke hvorfor det er sånn. Illustrasjon: Shutterstock, NTB Scanpix

Hvorfor finnes du og jeg og alt annet?

Tilsynelatende burde alt ha blitt til lys. Isteden finnes du og jeg og alt annet. Men fysikerne vet ikke hvorfor.

Universet består av materie. Materie er alt du ser rundt deg. Det er rart.

For sånn i teorien burde det også finnes store mengder antimaterie. Antimaterie og materie er egentlig like, bare speilvendte på et vis, med motsatt ladning.

Vi er her fordi det finnes mer materie enn antimaterie.

Men det finnes nesten ikke antimaterie i den delen av universet vi kjenner til, inkludert stjerner og andre galakser.

– Vi er her fordi det finnes mer materie enn antimaterie, sier professor Jens Oluf Andersen ved Institutt for fysikk ved NTNU.

Denne store ubalansen mellom materie og antimaterie er altså grunnen til at du og jeg og en granmeis og sjokoladekake eksisterer.

Men vi skjønner ikke hvorfor.

Fysikken har en standardmodell for hvordan verden henger sammen. Standardmodellen er en teori som beskriver alle partiklene vi kjenner til. Det inkluderer kvarker, elektroner, Higgs-bosonet og hvordan disse vekselvirker med hverandre.

Men denne standardmodellen greier altså ikke å forklare at verden nesten utelukkende består av materie. Derfor må det finnes noe vi ennå ikke skjønner.

Saken fortsetter under illustrasjonen.

Hvorfor finnes så mye mer materie enn antimaterie? «Baryon-asymmetrien» kan ennå ikke forklares ved hjelp av standardmodellen. Illustrasjon: Shutterstock, NTB Scanpix

Nuller ut hverandre

Når antimaterie og materie møtes, blir resultatet lys og ingenting annet.

Illustration: Department of Physics, McGill

Med like mengder materie og antimaterie, ville altså ingenting ha blitt igjen straks de hadde reagert ferdig.

Når vi rett og slett ikke vet hvorfor det finnes mer materie, vet vi altså heller ikke hvorfor byggesteinene til noe som helst finnes.

– Dette er et av de største uløste problemene innenfor fysikken, sier Andersen.

Vi snakker om den såkalte «baryon-asymmetrien». At det finnes mer av den ene enn det gjør av den andre. Baryoner er subatomære partikler. De mest kjente er protoner og nøytroner. Alle baryoner har altså et tilsvarende antibaryon som mystisk nok er sjeldent. (Se faktaboks 1.)

1. Baryoner

  • Baryoner er subatomære partikler som består av tre kvarker.
  • Det fins mange baryoner, men protoner og nøytroner er det viktigste.
  • Et proton består av 2*u-kvarker + 1 d-kvark. Et nøytron består av 1 u-kvark og 2 d-kvarker. Proton og nøytron utgjør mesteparten av baryonsk materie.
  • Alle baryoner har et tilsvarende antibaryon som er bygd av de tilsvarende antikvarkene. Tre antikvarker trengs altså for lage ett antiproton.

Mer enn vi vet

Standardmodellen for fysikk forklarer flere sider ved naturkreftene. Den forklarer hvordan atomer blir til molekyler, og den forklarer partiklene som atomene igjen er bygget opp av.

– Standardmodellen for fysikk omfatter alle partiklene vi kjenner. Den siste partikkelen, Higgs-bosonet, ble funnet i 2012 på CERN, sier professor Andersen.

Dermed falt en viktig brikke på plass. Men ikke den siste.

Standardmodellen fungerer altså aldeles utmerket for å forklare store deler av alt som vi ser rundt oss. Desto mer irriterende blir det derfor når noe slett ikke passer inn.

Baryon-asymmetrien hører til denne kategorien.

Fysikerne har likevel sine teorier om hvorfor det er mest materie, og derfor om hvorfor vi utvilsomt finnes likevel.

Saken fortsetter under bildet.

En ny modell må stemme med det vi allerede vet fra for eksempel CERN. Foto: Shutterstock, NTB Scanpix

Det begynte sånn?

– Én teori går ut på at det har vært sånn siden The Big Bang, sier professor Andersen.

Ubalansen mellom materie og antimaterie er altså en grunnleggende forutsetning, noe som var der mer eller mindre fra begynnelsen.

Kvarker er blant naturens minste byggesteiner. Et tidlig overskudd av kvarker i forhold til antikvarker forplantet seg videre i det større enheter ble formet. (Se faktaboks 2 om du vil vite mer.)

2. Begynnelsen

  • I det tidlige universet (før 10-12 sek etter big bang), hadde vi ei suppe av partikler og antipartikler som kvarker og antikvarker, elektroner og positroner (antielektroner) og stråling (fotoner og gluoner).
  • Etter den elektrosvake faseovergangen er det generert et lite overskudd av kvarker sammenliknet med antikvarker. Vi vet ikke hvorfor, men dette overskuddet fører senere til et overskudd av baryoner (protoner og nøytroner). Derfor er det i denne tidlige fasen at nøkkelen til baryonoverskuddet ligger.
  • Universet utvider seg og temperaturen synker helt fra begynnelsen av, som når en gass utvider seg og temperaturen synker. Kvarkene danner da hadroner (nøytroner, protoner og annet) og antikvarkene danner antihadroner (antiprotoner etc). Etter en stund består universet av slike hadron/antihadron-par + stråling + leptoner (elektroner/antielektroner).
  • Når temperaturen er lav nok vil disse hadron/antihadron-parene annihilere (det vil si at de støter sammen, nuller ut hverandre og blir til stråling). Men det blir igjen et lite overskudd av hadroner, fremdeles fordi det var et lite overskudd av kvarker etter den første elektrosvake faseovergangen (EWPT).
  • Vi har nå et univers som inneholder hadroner + stråling + leptoner/antileptoner.
  • Senere (1 til 10 sekunder etter big bang) skjer det samme med lepton/antilepton-parene. De annihilerer og danner stråling, bortsett fra et lite overskudd av elektroner som overlever. Elektroner inngår i de atomene som eksisterer i dag, sammen med atomkjernen som består av protoner og nøytroner, altså baryoner.

Men Andersen er ikke så glad i en sånn forklaring.

– Vi er ikke fornøyde likevel. For det forteller ikke så mye.

Et oppfølgerspørsmål blir da: Hvorfor var det sånn fra begynnelsen av? Hvorfor var det til å begynne med flere kvarker enn antikvarker?

– I prinsippet er det mulig å generere en asymmetri innenfor fysikkens standardmodell. Altså forskjellen mellom mengden av materie og antimaterie. Men vi støter på to problemer, sier Andersen.

Utover standardmodellen

For det første krever det at vi går langt tilbake i tid, til like etter det store smellet da alt begynte.

Vi snakker om 10 picosekunder, eller 10-11 sekunder etter big bang.

For det andre krever det temperaturer på rundt 1 trillion grader Kelvin, eller 1015 grader om du vil. Når solas overflate bare holder 5700 grader eller så, blir det himla mye. Uansett. Det passer ikke.

– Det går ikke. I standardmodellen får vi ikke nok materie, slår Andersen fast. – Problemet er at hoppet i forventningsverdien til Higgsfeltet er for lite, tilføyer han, for dem som har litt greie på fysikk.

Vi andre får nøye oss med at vi ennå ikke vet alt. Vi snakker om det som finnes ut over standardmodellen, om «beyond standard model physics». Det vi ikke vet.

– Det er nok ikke bare fantasien som setter grenser, men mange ulike muligheter finnes.

Disse mulighetene må altså samtidig fungere sammen med standardmodellen.

– Vi leter egentlig etter en utvidelse av standardmodellen. Noe som passer inn i den, sier Andersen.

For standardmodellen er rett, det er hverken han eller andre fysikere i tvil om. Den modellen testes kontinuerlig ved CERN og andre partikkelakseleratorer. Modellen er bare ikke komplett.

Professor Andersen og hans kolleger undersøker ulike muligheter for at modellen skal passe med ubalansen mellom materie og antimaterie. De siste resultatene ble nylig publisert i Physical Review Letters.

Noe blir noe annet

– Egentlig snakker vi om faseoverganger, sier Andersen.

Noe går fra noe til noe annet. Som at vann går over til damp eller til is under ulike forutsetninger. Eller kanskje at materie ble til som følge av en såkalt elektrosvak faseovergang (EWPT) og dannet et overskudd av baryoner, rett etter det store smellet. Altså kanskje.

Den elektrosvake faseovergangen skjer via bobledannelse. Den nye fasen ekspanderer, litt som vannbobler, og tar over hele universet. (Se faktaboks 3 om du vil vite mer.)

3. Faseovergang

  • Før faseovergangen (ved høy temperatur) har Higgsfeltet en forventningsverdi som er null og etterpå er den forskjellig fra null.
  • En analogi her er magnetisering av et stykke jern (før magnetisering er forventningsverdien til magnetiseringen null, etterpå forskjellig fra null fordi alle småmagnetene i jernet peker samme vei).
  • Denne elektrosvake faseovergangen er også interessant fordi en forventningsverdi til Higgsfeltet er en mekanisme som gir partikler masse. (Før faseovergangen var partiklene masseløse, etterpå er de massive som i dag.)

Andersen og kolleger testet den såkalte «two Higgs doublet»-modellen (2HDM), en av de enkleste utvidelsene av standardmodellen. De lette etter mulige områder der forutsetningene er til stede for å skape materie.

– Flere scenarier finnes for hvordan baryon-asymmetrien ble generert. Vi har studert den såkalt elektrosvake faseovergangen ved hjelp av 2HDM-modellen. Denne faseovergangen skjer i det tidlige universet, oppsummerer Andersen.

Du kan sammenligne med koking av vann. Når vann blir 100 grader, blir det dannet gassbobler som stiger opp. Dette har alle sett. Disse gassboblene inneholder vanndamp som er gassfase.

Vann er ei væske. Da vi gikk fra «gassfase» til «væskefase» i det tidlige universet, i en prosess der universet utvider seg og blir kjølt ned, viser det seg at vi kan produsere et overskudd av kvarker sammenliknet med antikvarker. Eller generere baryon-asymmetrien, sier Andersen.

Matematikk

Til sist er det også matematikk de holder på med.

For at modellene skal fungere sammen trengs parametre, eller tallverdier som må passe slik at begge modeller er rett samtidig. Disse parametrene er det altså om å gjøre å finne.

Jens Oluf Andersen. Foto: Julie Gloppe Solem, NTNU

I den ferskeste artikkelen innsnevret Andersen og kolleger det matematiske området der materie kan skapes og samtidig stemme overens med begge modeller. De innsnevret altså mulighetene.

– For at den nye modellen (2HDM) skal stemme med det vi allerede vet fra for eksempel CERN, kan ikke parametrene i modellen være hva som helst. På andre siden, hvis vi skal kunne produsere nok baryon-asymmetri, må parametrene også være innenfor et visst område. Vi prøver derfor å snevre inn parameterrommet. Men det er langt fram, sier Andersen.

Uansett er vi kommet et lite skritt videre på veien til å forstå hvorfor alt finnes.

Kilde: Nonperturbative Analysis of the Electroweak Phase Transition in the Two Higgs Doublet Model. Jens O. Andersen, Tyler Gorda, Andreas Helset, Lauri Niemi, Tuomas V. I. Tenkanen, Anders Tranberg, Aleksi Vuorinen, and David J. Weir. Phys. Rev. Lett. 121, 191802 – Published 7 November 2018.