När universum föddes vid Big Bang för 14 miljarder år sedan skapades lika mycket materia som antimateria. I mötet borde de ha utplånat varandra, men något hände. En avvikelse från den perfekta symmetrin ledde till att fler materiepartiklar än antimateria överlevde den stora smällen, ett överskott som var tillräckligt stort för att skapa den värld vi känner till med galaxer, stjärnor och planeter, inklusive oss själva.

Men varför så mycket materia överlevde Big Bang är en gåta, liksom varför och hur den starka kraften håller samman universums materia, säger Karin Schönning, som är professor i kärnfysik vid Uppsala universitet.

– Något i universums början måste ha gjort att materian blev kvar för att kunna bilda det universum vi har idag, men vi förstår fortfarande inte hur det kunde gå till. Vi ser det som ett jättestort pussel där vi försöker hitta några bitar var.

Hyperoner är nyckeln

Karin Schönning har i sin forskning valt att fokusera på hyperoner, några av materians minsta byggstenar. Hyperoner kan beskrivas som ett instabilt syskon till protoner.

– Protoner består förenklat uttryckt av tre kvarkar. I hyperonen har minst en av kvarkarna bytts ut till en tyngre variant, en sär- eller charmkvark.

Kärnfysiker är intresserade av hyperoner eftersom de befinner sig i ett energiområde där den starka kraften är som svårast att förstå. Hyperoner ses som en nyckel till att förstå mer om universums synliga materia.

Insamlingen av data sker i särskilda experimentanläggningar där hyperoner bildas ur kollisioner mellan protoner och antiprotoner. Hyperonerna bryts ner i enorma hastigheter, en process som ger upphov till värdefull information om partiklarnas sammanflätning och riktning.

– För oss är hyperonens viktigaste egenskap att den genom sitt sönderfall avslöjar sin inre magnet – sitt spinn.

En milstolpe i världen

Genom att mäta spinnegenskaperna har Karin Schönning och hennes kollegor lyckats ta fram en ”ögonblicksbild” av hur en viss sorts hyperon-antihyperonpar bildas – en milstolpe i forskningen. Bilden är inget riktigt fotografi utan motsvarar en uppsättning parametrar vid en given tidpunkt.

– Det är världens första experiment där vi har lyckats rekonstruera en komplett ögonblicksbild av processen där ett hyperon-antihyperonpar bildas från ren energi.

På sikt vill forskarna samla in flera uppsättningar parametrar genom att utföra mätningar vid olika energier.

”Finansieringen från Wallenbergstiftelsen ger stora möjligheter för oss som är unga forskare i Sverige. Jag har fått möjlighet att utvecklas som forskningsledare och har kunnat bygga upp en egen verksamhet. Utan det generösa stödet hade jag inte varit där jag är nu.”

– Än så länge har vi tagit en ögonblicksbild och nu blir nästa steg att ta en serie ögonblicksbilder med resultatet att vi kan ta fram något som vi kan likna vid en film på hur hyperonerna bildas.

Karin Schönning planerar också att analysera olika typer av hyperoner.

– Vi började med lambdahyperonen, som bildas i stor omfattning och är ganska lätt att mäta. Men vi vill också ta reda på hur andra hyperoner beter sig, till exempel kaskadhyperoner.

Kaskadhyperoner har fått sitt namn av att de innehåller två särkvarkar och sönderfaller i två steg.

– Vi utvecklar våra metoder för att titta på tyngre hyperoner. En utmaning är att de sönderfaller i mycket mer komplicerade mönster.

Forskarna drar också nytta av sönderfallsmönster för att belysa vad som hände med antimaterien vid universums födelse. En hypotes är att partiklar och antipartiklar inte följer samma lagar utan att de avviker något. Orsaken kan vara ett samspel mellan den starka och den svaga kraften. Tanken är att använda hyperoner som ett sökinstrument där det går att urskilja hur starka och svaga processer bidrar på olika sätt.

– Vi har en blandning av starka och svaga effekter, och genom att sönderfallen sker i två steg så ser vi att det skulle vara möjligt att separera de olika bidragen.

Nya experimentanläggningar

För att komma vidare i forskningen krävs tillgång till nya och mer avancerade experimentanläggningar. Stödet från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse gör det möjligt att ansluta till Belle II i Japan där insamling av data kan ske med högre intensitet och vid högre energier. Karin Schönning är också aktiv i uppbyggnaden av kärn- och hadronfysikanläggningen PANDA vid forskningscentret FAIR i Darmstadt. Projektet är ett samarbete med över 500 forskare från 17 länder.

I regel tar det många år att analysera de data som samlas in. Tålamod krävs, men belöningen kommer steg för steg i form av en ökad förståelse och en förhoppning om framtida genombrott inom grundläggande fysik.

– Genom att studera hyperoner så får vi nya infallsvinklar som kan öka den teoretiska förståelsen av dessa system och historiskt vet vi att det till slut för oss närmare gåtans lösning, säger Karin Schönning.

– Men vår ”million dollar question” är svår: hur bildas materien som vi är gjorda av och den starka kraften som håller ihop protonerna, atomkärnorna? Om inte den starka kraften fungerade som den gör, så skulle inte heller materien kunna bindas ihop på det här sättet. Det är otroligt komplicerat att förstå.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Berström