Det är en fråga som har hemsökt mänskligheten i årtusenden, och nu har ett par forskare från University of Southampton och Indian Institute of Technology Kanpur föreslagit ett svar som involverar en partikel som fysikerna har ägnat decennier åt att artigt ignorera: en "frikopplad" tung neutrino. Teorin, som publicerats i Physical Review Letters, antyder att denna förbisedda släkting till neutrinon kan ha varit den avgörande faktorn till varför materia överlevde Big Bang medan antimateria inte gjorde det.

Problemet är enkelt, om än existentiellt alarmerande: det tidiga universum producerade materia och antimateria i nästan lika stora mängder. När de två möts förintar de varandra i en energisk explosion. Hade mängderna varit perfekt balanserade skulle praktiskt taget all materia ha försvunnit, vilket lämnat inga stjärnor, inga planeter och – mer relevant – ingen som kunde fundera över frånvaron av stjärnor och planeter.

Här kommer den frikopplade tunga neutrinon in, en hypotetisk tyngre kusin till den vanliga neutrinon – en partikel som redan är känd för att vara extremt lätt och sällan interagera med vanlig materia. Den "frikopplade" varianten har i allmänhet ansetts vara alltför svagt kopplad till andra partiklar för att påverka något av betydelse. I decennier har den varit partikelfysikens motsvarighet till en bakgrundsstatist.

Men enligt de nya beräkningarna förändrar dess ovanligt långa livstid matematiken. Partikeln kan ha överlevt tillräckligt länge för att tillfälligt dominera universums energitäthet när kosmos svalnade efter Big Bang, vilket utlöste en materiadominerad period som förändrade hur det tidiga universum utvecklades.

Dr. Rishav Roshan vid University of Southampton, en av studiens författare, uttryckte det rakt ut: "Denna frikopplade tunga neutrino har länge avfärdats som en irrelevant bakgrundsdetalj inom partikelfysiken. Men den sönderfaller otroligt långsamt. När kosmos svalnade efter Big Bang levde partikeln tillräckligt länge för att tillfälligt ta över universums energitäthet och utlösa en materiadominerad period."

Tidigare försök att förklara materia-antimateria-asymmetrin har i allmänhet lämnat denna partikel helt utanför, med den rimliga motiveringen att något som interagerar så svagt knappast kan påverka de processer som ansvarar för att skapa obalansen. Den nya forskningen utmanar detta antagande och finner att även en partikel med extremt svaga interaktioner indirekt kan påverka de förhållanden under vilka materian fick sitt avgörande övertag.

"Det faktum att vi överhuvudtaget är här bevisar att en asymmetri mellan materia och antimateria uppstod", tillade Roshan. "Den frikopplade neutrinon försköt temperaturen i det tidiga universum vid vilken fundamentala partiklar – som elektroner och andra leptoner – interagerade med sina antipartiklar med hjälp av Standardmodellens Higgsboson. Denna temperatur fungerar som en strömbrytare som formar hur materia-antimateria-obalansen byggdes upp."

Higgsbosonen, för den som håller räkningen, är den fundamentala partikel som förknippas med den mekanism som ger många elementarpartiklar deras massa. I forskarnas scenario förändrade den tunga neutrinon temperaturförhållandena som styrde viktiga partikelinteraktioner involverande Higgs, vilket effektivt försköt när dessa interaktioner inträffade och påverkade hur obalansen utvecklades. Med andra ord kan något som länge avfärdats som obetydligt ha bidragit till att avgöra varför universum överhuvudtaget innehåller materia.

Teorin har också implikationer för hur universum expanderade i sina tidigaste skeden. Studiens medförfattare Dr. Sudipta Show vid Indian Institute of Technology Kanpur sade att resultaten tyder på att den glömda partikeln kan ha dramatiskt förändrat det unga kosmos expansionshistoria. "Det erbjuder oss en ny förklaring till hur materian vann", sade han. "Den dramatiska förskjutningen i det tidiga kosmos expansion lämnar distinkta men detekterbara avtryck av förändringar, till exempel på primordiala gravitationsvågor. Dessa gravitationsvågssignaturer öppnar nya vägar för oss att reda ut"