Výzkum toho, co odděluje hmotu od antihmoty, se v experimentech částicové fyziky po celém světě zrychluje. Vědci doufají, že tento rozdíl pomůže vysvětlit, proč vy, já a všechny věci kolem nás jsou vyrobeny z hmoty místo jejího opaku.
Krátce poté, co velký třesk teoreticky vše odstartoval, byl vesmír horkou polévkou skládající se ze stejných částí hmoty a antihmoty, říkají vědci. Proč prvně jmenovaný začal dominovat, je otázka, na kterou fyzici dosud plně nezodpověděli.
Nedávné výsledky experimentu BaBar v Kalifornii potvrdily jednu odchylku mezi těmito dvěma látkami, ale k vyřešení hádanky bude třeba najít více odchylek.
"Byl to velmi důležitý krok na cestě k pochopení asymetrie hmoty a antihmoty," řekl David MacFarlane, fyzik ze skupiny BaBar. "Tato asymetrie je jednou ze základních otázek kosmologie."
Se stejnou hmotností, ale opačným elektrickým nábojem, existují antičástice, které odpovídají protonu, elektronu a celé zoo základních částic, které fyzici dosud katalogizovali.
Jakkoli podivně znějí, tyto částice existují a lze je vytvořit. Prostě dlouho nevydrží. Pokud se sejdou existenční partneři, úplně se vyhladí.
Tento jin a jang fyziky byl potravou pro mnoho sci-fi zápletek. A velké množství energie, které pochází z anihilací hmoty a antihmoty, by se jednou mohlo využít jako zdroj paliva.
Mimozemské promítání
Na svých přednáškách v letech 1961-62 profesor Caltechu Richard Feynman nechal své studenty představit si vzdálenou mimozemskou civilizaci na planetě antihmoty. Kdybychom je měli kontaktovat rádiem, zeptal se Feynman, jak bychom poznali, že jsou vyrobeny z antihmoty?
Ačkoli by všechny náboje byly obrácené, jejich anti-vodík, anti-uhlík atd. by vážily stejně jako naše prvky. Energetické hladiny by byly také stejné. Jejich učebnice chemie by tedy byly totožné s našimi.
Existují však určité vysokoenergetické interakce, které se v našem světě chovají jako levotočivé, zatímco ve světě antihmoty se chovají jako pravotočivé. Jak ale někomu říct, která cesta „zbyla“přes meziplanetární telefon? Feynmanova pointa byla, že nemůžete, pokud jediné, co můžete udělat, je porovnávat fyzikální experimenty.
Skutečnost, že antihmota působí jako zrcadlový obraz hmoty, se nazývá symetrie náboje-parity (CP). Po Feynmanově přednášce experimentátoři pozorovali několik vzácných případů, kdy tato symetrie nebyla dodržena, a proto bylo možné říci, zda je mimozemšťan na druhé linii hmota nebo antihmota.
Nutná neposlušnost
Svět, který vždy poslouchal CP symetrii, by pravděpodobně neměl civilizace, planety nebo galaxie. Symetrie CP odehrávaná na bitevním poli hmoty a antihmoty prvotního vesmíru by vedla k úplnému zničení všeho.
V roce 1964 fyzici zjistili, že pravidla CP někdy porušují částice zvané kaony. Toto porušení se projevilo jako rozdíl v rozpadu kaonů a antikaonů, ale stalo se to pouze ve čtyřech z milionu událostí. To však stačilo k tomu, aby ruský fyzik Andrej Sacharov dostal představu, jak vesmír unikl vzájemnému zničení.
Sacharov zjistil, že existují tři kritéria pro to, aby hmota zvítězila nad patovou situací velkého třesku. Jedním z těchto kritérií bylo porušení CP.
Před Sacharovem neměli kosmologové způsob, jak se k asymetrii hmoty a antihmoty přiblížit. "Objev porušení CP z toho udělal vědeckou otázku," řekl Michael Dine z Kalifornské univerzity v Santa Cruz.
Ale problém zůstal obtížný. Velká část práce od Sacharovova odhalení byla věnována zdokonalování Standardního modelu částicové fyziky. Chvíli trvalo, než jsem zjistil, kolik porušení CP bylo povoleno ve standardním modelu. Ukázalo se, že moc ne.
Téměř čtyřicet let poté, co bylo v kaonech pozorováno porušení CP, vědci právě začínají zjišťovat účinek v další částici, mezonu B.
B továrny
Mezony B jsou těžší než kaony, takže jejich vytvoření vyžaduje více energie. Mají také mnohem více způsobů nebo způsobů rozkladu. "Každý z těchto režimů je těžší studovat," řekl Gordon Kane z University of Michigan, "ale jsou citlivější na porušení CP."
Aby se tato citlivost prozkoumala, některé urychlovače se staly vyhrazenými továrnami na mezony B.
Ve Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) narážejí vysokorychlostní elektrony do vysokorychlostních antielektronů. Energie těchto protilehlých paprsků jsou vyladěny tak, že 25 procent kolizí vede k vytvoření mezonu B a mezonu anti-B.
Experiment BaBar na SLAC je řada detektorů, které obklopují bod kolize. BaBar zaznamenal více než 200 milionů B mezonových párů. Částice i antičástice vydrží před rozpadem pouze 1,5 biliontiny sekundy, ale ve fyzice vysokých energií je to relativně dlouhá životnost.
Tým BaBar zaměřil svou pozornost na jeden konkrétní způsob rozpadu zahrnující kaon a další částici zvanou pion. "Našli jsme 910 příkladů rozpadu mezonu B na kaon a pion, ale pouze 696 příkladů pro mezon anti-B," vysvětlil fyzik z BaBar Marcello Giorgi. Tento 13procentní rozdíl, oznámený začátkem tohoto měsíce, nebyl překvapivý.
"Ve standardním modelu se to očekávalo, ale výpočty jsou velmi komplikované," řekl Kane. Teoretici mohli pouze předvídat, že porušení CP v tomto režimu by mělo být někde mezi 10 a 20 procenty.
Ne dost neposlušný
Pro Kanea a další není souhlas se standardním modelem důvodem k oslavám. "Pro lidi, jako jsem já, je to trochu zklamání," řekl Dine. "Doufali jsme v nějakou nesrovnalost."
Asi před deseti lety kosmologové přišli na to, že Standardní model předpovídal asymetrii hmoty a antihmoty, která byla 10 miliard příliš malá.
Částečným důvodem tohoto obrovského selhání je nepatrnost porušení CP ve standardním modelu. Vědci zkoumají teorie, které přesahují standardní model. "Musí existovat jiné zdroje porušení CP," řekl Dine.
Výsledky BaBar, i když nenabízejí řešení kosmologické hádanky, poskytují měřítko při hledání těchto druhů nové fyziky.
"Pomohou nám identifikovat, kdy je něco jinak," řekl MacFarlane.
Mohou existovat důkazy pro takové anomálie u jiných rozpadů B. Jak BaBar, tak další továrna B v Japonsku s názvem Belle předběžně zjistily ve svých datech malou nesrovnalost se standardním modelem, stejně jako Fermilab v Chicagu. "V tuto chvíli je to vzrušující," řekl MacFarlane.
Jiní vědci soud odmítají. "Mám postoj počkej a uvidím," řekla Dine. "Ale já mluvím jako ten, kdo je trochu unavený."
