Der Urknall sollte im frühen Universum gleiche Mengen an Materie und Antimaterie erzeugt haben. Aber heute besteht alles, was wir sehen, von den kleinsten Lebensformen auf der Erde bis hin zu den größten stellaren Objekten, fast vollständig aus Materie. Im Vergleich dazu gibt es nicht viel Antimaterie zu finden. Irgendetwas muss passiert sein, um das Gleichgewicht zu kippen. Eine der größten Herausforderungen in der Physik ist es, herauszufinden, was mit der Antimaterie passiert ist, oder warum wir eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie sehen.
Antimaterie-Teilchen haben die gleiche Masse wie ihre Materie-Gegenstücke, aber Eigenschaften wie die elektrische Ladung sind entgegengesetzt. Das positiv geladene Positron zum Beispiel ist das Antiteilchen zum negativ geladenen Elektron. Materie- und Antimaterieteilchen entstehen immer als Paar und vernichten sich bei Kontakt gegenseitig, wobei reine Energie zurückbleibt. Während der ersten Sekundenbruchteile des Urknalls war das heiße und dichte Universum voll mit Teilchen-Antiteilchen-Paaren, die in die Existenz hinein- und wieder heraussprangen. Wenn Materie und Antimaterie zusammen entstehen und zerstört werden, sollte das Universum eigentlich nichts als Energiereste enthalten.
Doch ein winziger Teil der Materie – etwa ein Teilchen pro Milliarde – konnte überleben. Das ist es, was wir heute sehen. In den letzten Jahrzehnten haben teilchenphysikalische Experimente gezeigt, dass die Naturgesetze nicht gleichermaßen für Materie und Antimaterie gelten. Die Physiker sind auf der Suche nach den Gründen dafür. Forscher haben spontane Umwandlungen zwischen Teilchen und ihren Antiteilchen beobachtet, die Millionen Mal pro Sekunde stattfinden, bevor sie zerfallen. Eine unbekannte Instanz, die im frühen Universum in diesen Prozess eingriff, könnte dafür gesorgt haben, dass diese „oszillierenden“ Teilchen häufiger als Materie zerfallen als als Antimaterie.
Betrachten Sie eine Münze, die sich auf einem Tisch dreht. Sie kann auf Kopf oder Zahl landen, aber sie kann nicht als „Kopf“ oder „Zahl“ definiert werden, bis sie aufhört sich zu drehen und auf eine Seite fällt. Eine Münze hat eine 50:50-Chance, auf Kopf oder Zahl zu landen. Wenn also genügend Münzen auf genau die gleiche Weise gedreht werden, sollte die Hälfte auf Kopf und die andere Hälfte auf Zahl landen. Auf die gleiche Weise sollte die Hälfte der oszillierenden Teilchen im frühen Universum als Materie und die andere Hälfte als Antimaterie zerfallen sein.
Wenn jedoch eine spezielle Art von Murmel über einen Tisch mit sich drehenden Münzen rollte und bewirkte, dass jede Münze, die sie traf, auf dem Kopf landete, würde sie das ganze System stören. Es gäbe mehr Kopf- als Zahlmünzen. Auf die gleiche Weise könnte ein unbekannter Mechanismus in die oszillierenden Teilchen eingegriffen haben, um zu bewirken, dass eine kleine Mehrheit von ihnen als Materie zerfällt. Physiker könnten Hinweise auf diesen Prozess finden, indem sie die subtilen Unterschiede im Verhalten von Materie- und Antimaterieteilchen untersuchen, die in hochenergetischen Protonenkollisionen am Large Hadron Collider entstehen. Die Untersuchung dieses Ungleichgewichts könnte den Wissenschaftlern helfen, ein klareres Bild davon zu zeichnen, warum unser Universum mit Materie gefüllt ist.