Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng vũ trụ tồn tại bởi vì nó bắt đầu với sự mất cân bằng nhẹ giữa vật chất và phản vật chất. Các hạt vật chất - tức là tất cả các electron, proton và neutron trong các nguyên tử và phân tử của vật chất thông thường - khác với các hạt phản vật chất, mang điện tích trái dấu nhưng lại tương đồng về nhiều mặt.
Vật chất và phản vật chất không hòa hợp với nhau. Khi các hạt của chúng va chạm, chúng hủy diệt lẫn nhau trong một vụ nổ tia gamma dữ dội. May mắn thay, phản vật chất hiện nay cực kỳ hiếm. Mặc dù phản vật chất đóng vai trò nền tảng trong sự hình thành vũ trụ, nhưng việc hiện nay nó còn rất ít vẫn là một trong những bí ẩn lớn của vũ trụ học.
Phản vật chất đã được nhà vật lý người Anh Paul Dirac dự đoán cách đây gần 100 năm trong công trình tiên phong của ông về cơ học lượng tử, và điều này đã được xác nhận bằng thực nghiệm từ những năm 1930. Ngày nay, các nhà khoa học có thể tạo ra phản vật chất trong các máy va chạm hạt như Máy va chạm Hadron lớn.
Nhưng theo Giáo sư vật lý và thiên văn học Pasquale Di Bari ở Trường đại học Southampton, Anh, thì Dirac dự đoán rằng phải có lượng vật chất và phản vật chất bằng nhau. Tuy nhiên, thực tế là hiện nay có rất ít phản vật chất và rất nhiều vật chất - bao gồm tất cả các ngôi sao trong tất cả các thiên hà trong vũ trụ, mặc dù một số nhà khoa học từng cho rằng có thể có "phản thiên hà" hoặc "phản sao" - là một vấn đề khoa học lớn.
Nhà vật lý hạt nhân Tara Shears ở Trường đại học Liverpool, Anh, cho biết: "Chúng tôi cho rằng vũ trụ khởi đầu với tỷ lệ vật chất - phản vật chất 50-50 trong Vụ Nổ Lớn, nhưng rất nhanh sau đó đã bị vật chất chi phối. Để điều này xảy ra, cần phải có một sự khác biệt rất nhỏ, hay nói cách khác là sự bất đối xứng, trong hành vi của vật chất và phản vật chất để cuối cùng cho phép một bên thống trị bên kia”.
Nhưng "sự khác biệt này không được dự đoán, không được hiểu và chắc chắn không được giải thích", bà Shears nói tiếp. "Hiểu được sự khác biệt này là vấn đề chúng ta muốn giải quyết; đây là vấn đề bất đối xứng vật chất-phản vật chất”.
Theo Dirac, các thuật ngữ "vật chất" và "phản vật chất" gần như là tùy ý. "Vật chất" dùng để chỉ các hạt thông thường, còn "phản vật chất" dùng để chỉ các phản hạt - nhưng cũng có thể ngược lại. Nếu chúng không bị tiêu diệt phần lớn, các hạt phản vật chất có thể đã hình thành nên một vũ trụ gồm các phản nguyên tử và phản phân tử. Cuối cùng, bất cứ thứ gì chiếm ưu thế đều được gọi là vật chất, và thứ đối lập với nó được gọi là phản vật chất.
Những gì còn sót lại của vũ trụ
Từ các quan sát đối với máy gia tốc hạt, dấu vết phân rã của phản vật chất trong quang phổ thiên văn và sóng hấp dẫn, các nhà vật lý đang cố gắng hiểu rõ hơn tại sao lại có sự khác biệt lớn chưa được giải thích này trong vũ trụ, thứ đã tạo ra mọi thứ mà nó chứa đựng.
Di Bari ước tính ban đầu có thể có số lượng hạt vật chất và phản vật chất nhiều gấp hàng tỷ lần so với hiện tại, trước khi chúng gần như hủy diệt lẫn nhau trong những phần nhỏ đầu tiên của giây sau Vụ Nổ Lớn. "Những gì chúng ta được tạo thành từ những gì còn sót lại", ông nói.
Raymond Volkas, một nhà vật lý hạt lý thuyết tại Đại học Melbourne, Úc, cho biết thêm rằng lý do của sự bất đối xứng này đã được nhà vật lý Liên Xô Andrei Sakharov nêu ra vào năm 1967.
Sakharov đề xuất rằng sự bất đối xứng tồn tại là do các hạt vật chất và phản vật chất không hoàn toàn đối lập nhau mà thay vào đó phản ứng khác nhau với một số lực cơ bản trong một số trường hợp nhất định - một hiện tượng được gọi là "vi phạm C và CP".
Volkas nói rằng các nguyên tắc chung của "vi phạm C và CP" đã được biết, nhưng chi tiết cụ thể thì chưa. "Có rất nhiều khả năng đang được tìm hiểu. Thách thức nằm ở việc phải phân biệt được chúng bằng thực nghiệm”.
