Proč převládla hmota nad antihmotou? Dlouho očekávaný objev může pomoci vyřešit tuto hádanku

Tento zásadní objev rozšiřuje naše chápání rozdílů mezi hmotou a antihmotou a otevírá vědcům nové cesty k pochopení, proč při vzniku vesmíru převládla právě hmota, což je jednou z největších nevyřešených záhad kosmologie. Vědci si totiž dlouho kladou otázku: proč při/po Velkém třesku všechny částice a antičástice nezanikly a nezanechaly po sobě pouze záření, ale malé množství hmoty zůstalo?  

Hmota a antihmota

Pojďme si však na začátku pro ty, kdo se nevěnují fyzice, zopakovat, z čeho se skládá náš svět. Vše, co je kolem nás – lidé, zvířata, rostliny, ale i planety a hvězdy – je tvořeno hmotou. Hmota se skládá z elementárních částic: atomů, které obsahují záporně nabité elektrony, kladně nabité protony a neutrální neutrony. Protony a neutrony jsou složeny z kvarků. 

Vedle tohoto uchopitelného, materiálního světa, však existuje ještě jakýsi „zrcadlový obraz“, antihmota, v němž ke každé částici existuje i její antičástice, která má stejnou hmotnost, ale opačný elektrický náboj. V tomto světě je pozitivně nabitý pozitron, negativně nabitý antiproton a neutrální antineutron, který má ale rozdílné kvarkové složení. 

Když se částice a antičástice setkají, tak zaniknou, neboli anihilují, a přemění se na energii ve formě fotonů, případně na jiné částice.

Pokud by platila tzv. CP-symetrie, kterou vysvětlujeme níže, hmota v našem světě by se měla chovat stejně jako antihmota v zrcadlovém světě, ovšem již před 60 lety zpozorovali fyzikové narušení této symetrie u částic zvaných mezony. Stejné chování tehdy předpověděli i pro druhou hlavní skupinu částic – baryony – mezi které patří i protony a neutrony tvořící atomová jádra. Teprve až nyní obří urychlovač LHC (Large Hadron Collider) v CERNu poskytl dostatečné množství dat, které umožnilo potvrdit tato očekávání. 

„Nový objev vědců z experimentu LHCb otevírá dveře pro další teoretické a experimentální studie povahy narušení CP-symetrie, které nám mohou ukázat cestu, kde za hranicemi Standardního modelu hledat novou fyziku,“ vysvětluje fyzik Tomáš Jakoubek z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR. Tomuto oboru se věnuje v CERNu již 15 let a nedávno se připojil k experimentu LHCb.

Velký třesk

Kosmologické modely předpokládají, že při takzvaném Velkém třesku se vytvořilo stejné množství hmoty i antihmoty. Tyto předpoklady vycházejí z principu CPT symetrie neboli kombinované symetrie náboje (C), prostoru (P) a času (T). Ta předpokládá, že když provedeme najednou tři změny: částice zaměníme za antičástice, prostor zrcadlově převrátíme a obrátíme směr času, tedy pustíme ho pozpátku, tak fyzikální zákony zůstanou stejné.  CPT symetrie není hypotéza, ale matematicky dokázaná vlastnost všech kvantových teorií pole a slouží jako základní kompas pro testování nových teorií. Pokud nějaká nová hypotéza porušuje CPT, musí být extrémně dobře zdůvodněná, protože by to vyžadovalo revizi základních fyzikálních principů.

Nicméně samostatné C-, P- a T-symetrie neplatí, resp. jsou narušené. Dokonce je narušená i zmiňovaná kombinovaná CP-symetrie. Pokud by platila, po vzniku vesmíru by postupně všechna hmota a antihmota anihilovala a zůstalo by jen záření. Narušení CP-symetrie je i součástí zatím nejúspěšnější teorie popisující známou hmotu (a antihmotu) a její vzájemné interakce – Standardního modelu fyziky elementárních částic.

„I přes veškerý úspěch Standardního modelu a jeho prediktivní sílu (například předpověď Higgsova bosonu) se nejedná o dokonalou teorii – mimo jiné nepopisuje gravitaci, nedokáže vysvětlit temnou hmotu a temnou energii, a ačkoli předpovídá narušení CP-symetrie, tak v mnohem menším rozsahu, než je zapotřebí pro vysvětlení pozorované asymetrie ve vesmíru. Kvůli těmto a dalším nedostatkům fyzikové věří, že Standardní model bude časem rozšířen nebo nahrazen lepší teorií, stejně jako byla nakonec newtonovská mechanika nahrazena Einsteinovou obecnou teorií relativity,“ dodává Jakoubek.

Co tedy popisuje nová publikace vědců z CERNu

Ačkoliv bylo porušení CP-symetrie objeveno u různých rozpadů mezonů, dosud nebylo pozorováno u baryonů – tedy typu hmoty, která tvoří pozorovatelný vesmír. Článek vědců z CERNu však popisuje studii rozpadu „krásného“ baryonu Λ⁰_b na konečný stav proton a 3 mezony nazývané kaon a pion (pK⁻π⁺π⁻) a jeho CP-konjugovaného procesu, založenou na datech shromážděných experimentem LHCb (Large Hadron Collider beauty) v CERNu. Výsledky odhalily výrazné asymetrie mezi rozpadovými rychlostmi baryonu Λ⁰_b a jeho CP-konjugovaného antibaryonu, což představuje první pozorování porušení CP symetrie u rozpadů baryonů a potvrzuje tak odlišné chování baryonů a antibaryonů. Tento objev tak otevírá novou cestu pro hledání fyziky za hranicemi Standardního modelu.

K čemu je nám tohle dobré

Možná vás po přečtení tohoto článku napadá známá hláška z filmu Pelíšky: „A komu tím prospějete, co?” K čemu je nám teoretické bádání fyziků dobré? 

Kromě toho, že chceme porozumět světu a tomu, jak vznikl a jak jsme se tu ocitli my, tak otázky hmoty a antihmoty mají i praktické důsledky a aplikace. Snaha zachytit fotony z anihilací urychluje vývoj různých speciálních detektorů. Ty naleznou využití nejen na satelitech ve vesmíru, ale následně třeba i v medicíně. 

Jednou z nejznámějších aplikací antihmoty je totiž PET sken ve zdravotnictví. PET, neboli pozitronová emisní tomografie, využívá pozitrony, tedy antičástice elektronů. Pacientovi se podá radioaktivní látka, která se rozpadá a uvolňuje pozitrony, které když se srazí s elektronem, tak dojde k anihilaci a uvolní se dva fotony, které zachytí detektor, díky čemuž se vytvoří obraz vnitřních orgánů. 

Jednou by nám také třeba anihilace hmoty a antihmoty mohla přinášet obrovské množství energie, a to podle ikonického Einsteinova vzorce, který si možná jako jediný vzorec z fyziky pamatuje téměř každý, i když mu rozumí málokdo: E = mc².

Autorka: Vladislava Vojtíšková, Petra Köppl 

Foto: CERN

Zdroj: Fyzikální ústav AV ČR