Vart tog all antimateria vägen?

Skulle man förlita sig på fysikteorierna, skulle bara några få ynka stjärnor lysa upp världsalltet. Mer materia än så skulle det inte ha blivit kvar strax efter big bang för cirka 14 miljarder år sedan, då lika mängder materia och antimateria skapades. Mötet mellan de två var lika ödesdigert för båda – och de borde ha förintats. Bara ljuspartiklarna som bar bort energin skulle ha blivit över.

Men så är det ju inte. Vem som helst kan se att vårt universum förutom ljus innehåller materia som faktiskt har vunnit stort över antimaterien. Men hur, när och varför vår värld fylldes med tindrande stjärnor, galaxer och galaxhopar kan vetenskapen bara spekulera om i dag.

– Uppenbarligen räckte det med en materiepartikel extra på tio miljarder partiklar av antimateria, berättar Helen Quinn, professor i teoretisk fysik vid Stanford University i Kalifornien. Och medan tio miljarder partiklar av materia och lika många av antimateria slutligen omvandlades till ren strålning, blev den här enda överskottspartikeln per tio miljarder systerpartiklar upphovet till vårt universum som vi ser det i dag.

Fysiker har länge haft en idé om att naturlagarna borde gälla på exakt samma sätt för både partiklar och deras alter ego, antipartiklar, samtidigt som ekvationerna spegelvänds. Tricket kallas CP-symmetri, och symmetrierna utgör kärnan i fysikens grundmodell för elementarpartiklarna. Den har visat sig hålla för det mesta, dock inte alltid. Symmetribrotten blev i lika hög grad forskningsobjekt som symmetrierna – inte så märkligt i en värld där perfekt symmetri är sällsynt.

Helen Quinn har ägnat sin forskargärning åt att vrida och vända på fysikteorierna, så att deras matematiska skönhet och symmetrier skulle tillåta vår snedvridna värld. Nu är hon i Stockholm för att ta emot Kleinmedaljen och ge den årliga föreläsningen till minne av Oskar Klein (1894-1977), Sveriges första fysikteoretiker av världsklass. Hon är en framstående fysiker, nummer tjugo i raden av inbjudna efter sådana namnkunniga storheter som Stephen Hawking, Steven Weinberg och Andrei Linde.

Från början blev mottagandet extremt kyligt, men det berodde på det svenska klimatet. Majmånadens kallaste helg bestämde Helen Quinn sig för att paddla runt och uppleva Stockholms vackra skärgård med sin make. Motvind och nästan frysgrader tog de inte med beräkningen, men Helen Quinn var nöjd ändå.

– Med Kleinföreläsningarna kan vi i Sverige få direktkontakt med det hetaste som händer i dag inom fysiken, berättar Lars Bergström, professor i teoretisk elementarpartikelfysik vid Stockholms universitet. Vi firar också 30-årsjubileet av Helen Quinns briljanta idé som skulle förklara varför avstegen från symmetri mellan materia och antimateria inte stämmer, något som fortfarande är en gåta inom fysiken.

Hennes genombrott i mysteriet med symmetribrott mellan materia och antimateria skedde alltså för trettio år sedan. Då kom hon tillsammans med kollegan Roberto Peccei på ett sätt att hitta rätt i den förvirring som uppstått inom teorin för universums allra mest grundläggande byggstenar, den så kallade standardmodellen. Denna fullbordades bara några år efter deras insats, för ett drygt kvartssekel sedan, och är ett robust bygge med elementarpartiklarna ordnade i tre familjer med var sin typisk kraft som verkar dem emellan – elektromagnetisk samt svag och stark kraft.

Men medan den svaga kraften i tidigare experiment visade sig tillåta en minimal avvikelse från symmetri mellan materia och antimateria, verkade den då nyligen hopkomna teorin för den starka kraften tillåta nästan hur mycket symmetribrott som helst. Något var fel.

– Skulle man tro på den teorin så fick en på tio, eller till och med varannan partikel av materia överleva utjämningen med antimateria, berättar Lars Bergström. Så är det nu inte, utan vi vet att avsteget från symmetrin är mycket litet. På något sätt förhindrar naturen detta stora överskott. Hur teorin skulle rättas till blev en fråga som Helen Quinn tog sig an. Lösningen bär fortfarande hennes namn.

I själva verket är det en dubbel gåta: dels varför symmetrin från big bang inte bevarats i den senare utvecklingen, dels varför avsteget till materiens fördel är så litet. Avsteget går att räkna ut från kosmologins standardberättelse om hur vår värld blev till – här möts fysikens teorier om världens minsta beståndsdelar med kosmologins bild av hela världsalltet.

– Den mängd lätta element i universum – väte, helium och litium – som bildades bara minuterna efter big bang och som inte har förändrats till i dag, stämmer bra med uppskattningen av hur mycket materia som behövdes, berättar Lars Bergström. Dessutom bekräftar noggranna mätningar av bakgrundsstrålningen i rymden att det går ungefär 10 miljarder fotoner, ljuspartiklar, på en proton, den materiepartikel som bygger upp atomkärnorna. Det är en direkt bekräftelse på vad vi tror hände när grundämnena sattes samman: det mesta av materien och antimaterien blev bara strålning, fotoner. Resten av materien finns kvar än i dag.

Hur vet man då att universum helt enkelt inte från början fylldes ojämnt med materia och antimateria? Att skillnaden är så liten talar emot det; förhållandet 10 000 000 001 materiepartiklar mot 10 000 000 000 antimateriepartiklar är minst sagt säreget. Det kan knappast ha uppstått av en slump.

Dessutom: om förhållandet mellan materia och antimateria inpräntats redan i big bang skulle det inte överlevt de första skälvande stunderna. För strax efter big bang genomgick universum en kraftig uppblåsningsfas, inflation, som sträckte ut rymden enormt. Då borde alla rynkor och ojämnheter i den ursprungliga rymdväven jämnats ut och försvunnit. Nej, i begynnelsen rådde symmetri, obalansen kom sedan. Men hur?

Den ryske fysikern, fredskämpen och Nobelpristagaren Andrei Sacharov ställde år 1967 upp tre villkor för att få ihop en värld lik vår, tömd på antimateria. I det första postulerade Sacharov att fysikens lagar måste skilja mellan materia och antimateria – något som faktiskt inträffar när den svaga kraften, som svarar för radioaktivt sönderfall, i sällsynta fall hellre väljer kvarkar än antikvarkar.

Sacharovs andra villkor säger att det inte bör finnas något som hindrar att balansen mellan materia och antimateria rubbas. Av detta följer till exempel att protonen ska kunna sönderfalla. Trots stora ansträngningar har ingenting kunnat bekräfta detta. Tvärtom, experimenten pekar mot att protonen, alla atomers grundbult, håller sig stabil i minst 1032 år. Det är ofattbart mycket längre än universums ålder, som är drygt 1010 år. Det känns betryggande att materiens livstid är nästintill omöjlig att överblicka, att vi inte störtar samman så lätt.

För det tredje menade Sacharov att det måste ha funnits en mer kaotisk period vid världsalltets tillblivelse då reaktioner mellan partiklar, antipartiklar och strålning pågick lite hipp som happ. Då kunde till exempel antimateria sönderfalla snabbare än materia under de första bråkdelarna av en sekund, något som annars sker i samma takt för båda.

Det är inte otänkbart att alla dessa villkor kan komma att uppfyllas av fysikens standardmodell, men modellen ger långt ifrån tillräckligt stor avvikelse. För att få ihop det vi ser runt om oss med teorierna behöver partikelfysikens standardmodell revideras. Den har visat sig fungera i alla experiment hittills, men för att förklara materieöverskottet räcker den inte till. Det finns dock flera sätt att göra det, alla än så länge rätt spekulativa.

– Två möjliga lösningar diskuteras egentligen. Den ena har att göra med kvarkar, den andra med neutriner, berättar Helen Quinn.

I den heta kosmiska ursoppan var alla nyfödda partiklar på sätt och vis lika. De bytte skepnad med varandra fram och tillbaka: kvarkar och antikvarkar, elektroner och antielektroner, neutriner och antineutriner. Alla saknade massa och kunde pendla mellan de olika identiteterna. Men när den kosmiska klockan slog 10-12 sekunder hade universum utvidgats och temperaturen samtidigt sjunkit så mycket att växelspelet stannade av. Men de teorier som beskriver dessa skeenden, de som kallas storförenade teorier eller med sin engelska förkortning GUT, kan inte göras ansvariga för hela materieobalansen, i alla fall inte ensamma. Det krävs något mer.

I en variant funderar forskarna på vad som försiggick vid ytan på den expanderande kosmiska bubblan. En del partiklar trängde igenom väggen in i bubblan, andra studsade ut. Kanske hade kvarkarna, som bygger upp protonen, lättare att sippra igenom än antikvarkarna som trängdes undan av den allt mer utvidgande kosmiska bubblan. I dag utgör den hela vår värld: vi lever innanför skalet, och följaktligen ser vi inte den antimateria som lämnades utanför vår horisont. Hittills har dock inga beräkningar i den riktningen gett rätt svar, utan överskottet av materia blir fortfarande för litet jämfört med mätningarna.

Sedan mitten av 1980-talet har en del forskare i stället satt hoppet till neutriner och en skapelseprocess kallad leptogenes (neutriner hör till en partikelfamilj kallad leptoner, där även elektroner och myoner ingår). Neutriner, som länge misstänktes vara utan massa, är fjäderlätta partiklar som genomkorsar rymden och himlakropparna utan att göra mycket väsen av sig. Varje sekund tar sig en biljon (tusen miljarder) neutriner rakt igenom en yta stor som din handflata. Rymden är fylld av dem även om det är svårt att stoppa dem – neutrinerna växelverkar inte gärna med något.

Däremot, när upptäckten av neutrinernas massa gjordes för cirka tio år sedan fick man lägga till en tung neutrinovariant i standardmodellen. Denna tunga neutrino visade sig kunna uppfylla Sacharovs krav på ett sätt att skapa materieobalans. Den föredrar nämligen en viss reaktionsväg framför ett likvärdigt alternativ: den tunga neutrinon kunde för länge sedan sönderfalla under färden igenom det heta universum i en neutrino eller ännu hellre i en antineutrino. Sedan är det lätt: redan standardmodellen säger att antineutriner kunde omvandlas till materia under universums första heta stunder. Antimateria bildades inte lika ofta.

Matematiken verkar stämma här, och det pågår experiment som ska föra leptogenesen i bevis. Än så länge har dock inte resultaten, förutom vid några falska larm, kunnat bekräfta neutrinolösningen.

Ett alternativt sätt att sträcka sig utanför standardmodellen är supersymmetri, en teori där varje partikel i standardmodellen får en supersymmetrisk partner – en likadan fast tyngre. I så fall skulle vi här på jorden bara känna till hälften av alla partiklar som finns. En mager skörd kan det tyckas, som lämnar mycket att söka efter, och kanske också därför rätt lockande för många. Och med nya medlemmar i partikelfamiljen införs även många nya sätt för dem att växelverka med varandra, så chansen att få fram den eftertraktade lagom stora obalansen ökar avsevärt.

Många forskare hoppas att några av dessa supersymmetriska partiklar kommer att uppenbara sig i den nu färdigställda acceleratorn LHC på Cern i Genève, där protoner kommer att kollideras med varandra i hiskelig fart och nya partiklar skapas.

Intressant nog kan supersymmetriska partiklar även lösa ett annat av den moderna kosmologins mysterier, det om mörk materia. Nio av tio partiklar av materia i universum är av en ännu okänd sort. Men för att galaxhopar och galaxer skulle bildas krävdes det materieklumpar i den annars jämna ursoppan. Med sin gravitationskraft lockade de till sig mer materia, tänker man sig, så att universum slutligen kunde tända sina stjärnor. I dag genomsyrar denna okända mörka materia alla galaxer. Även vår egen Vintergata ligger inbäddad i ett klot fyllt med mörk materia. Sådant sluter sig astronomerna till när de ser ut mot rymden och beräknar vad som håller samman de roterande galaxerna. Den materia de ser räcker inte på långa vägar, utan det måste finnas något annat. De tunga supersymmetriska partiklarna kanske?

Valet står mellan dem och axioner, en sorts ultralätta partiklar som av en slump dök upp i Helen Quinns beräkningar. Då gällde det något helt annat, och helt ärligt – det var inte Helen Quinn som upptäckte dem i sina ekvationer. Nej, det var de blivande Nobelpristagarna Frank Wilczek och Steven Weinberg som på var sitt håll konstaterade att en partikel låg gömd bland hennes formler.

– Mitt arbete var bara ett förslag på vilken sorts teorier som kunde lösa frågan om osymmetrin med materien, säger Helen Quinn. Axionerna blev en naturlig konsekvens av teorin.

De döptes efter ett tvättmedel. Frank Wilczek tyckte att namnet passade på en partikel som renade oklarheterna. Annars var higglet Helen Quinns favoritnamn (av storebror higgspartikeln; jämför piglet = spädgris). Nu hoppas hon att axionerna snart dyker upp i pågående experiment i Europa eller USA; det är klart att hon håller på sin trettio år gamla uppfinning.

– Det är märkligt, axionerna har följt oss så pass länge. Saker föds, lever och dör annars i takt med vad experimenten visar. Men axionerna och gåtan med mörk materia består. Fast det är egentligen en helt annan historia.