Ztracená antihmota (3): CPT invariance aneb Záhada časové asymetrie

Člověk | 08.11.2004

Třetí část našeho seriálu věnujeme tomu, jak se poznání existence antihmoty promítlo do poznatků moderní astrofyziky a kosmologie. Vrátíme se na pole teoretické fyziky a budeme se ptát, zda mezi částicemi a antičásticemi vládne skutečně zrcadlová symetrie, jak se původně domníval Paul Dirac.

Sdílet

Nejprve stručné zopakování: V přírodovědě se před více než 70 lety objevil koncept antihmoty. Co z něj vyplývá? Jestliže atomy obyčejné hmoty („koinohmoty“), z nichž jsou složeny věci kolem nás, jsou vybudovány z protonů, neutronů a elektronů, atomy antihmoty jsou složeny z jejich antičástic: antiprotonů, antineutronů a pozitronů. Dirac se domníval, že mezi světem hmoty a antihmoty panuje naprostá symetrie. Obrazně řečeno, antisvět bude zcela stejný jako náš svět, jen s opačnou nábojovou paritou (C).
A vskutku, postupně se ukázalo, že každá antičástice má s běžnou částicí tvořící hmotu některé veličiny totožné (např. klidovou hmotnost, spin, izospin, poločas rozpadu), zatímco jiné jsou stejně velké, ale s opačným znaménkem (např. elektrický náboj, baryonové číslo, leptonová čísla, podivnost, půvab). Pokud je některá veličina částice rovna nule, je rovna nule rovněž u její antičástice. Z tohoto důvodu je částice, která má všechny veličiny nulové, totožná se svojí antičásticí – to platí např. pro foton. Z původně nesmělé Diracovy hypotézy, která byla důsledkem matematického řešení rovnic pro pohyb elektronu, se stal bezvýhradný zákon, že každá částice má v mikrosvětě antičástici.

Neméně důležitým poznatkem souvisejícím s existencí antihmoty (který jsme dosud zmínili jen letmo) bylo poznání jedinečného procesu: při blízkém setkání částice s příslušnou antičástici dochází k jejich vzájemné „anihilaci“ (tj. vzájemnému zničení částic). Veškerá energie částice a antičástice se při tomto jevu uvolní ve formě elektromagnetického záření, tedy proudu fotonů, přičemž jde o nejvydatnější možnou přeměnu energie, jíž lze podle našich poznatků uskutečnit. Opačným procesem je „materializace“, při které páry částice-antičástice vznikají.
Nejde o žádné akademické úvahy. Tyto jevy byly bezpočtukrát pozorovány jak v urychlovačích, tak při studiu kosmického záření. Foton s vysokou energií, např. z kosmického záření, často při interakci s jádrem atomu úplně zmizí a z jeho energie se zrodí dvě částice, elektron-pozitronový pár. Nicméně právě výsledky pozorování kosmického záření vedly nakonec k jednoznačnému závěru: baryonů je ve vesmíru neporovnatelně víc než antibaryonů. Vesmír (respektive alespoň jeho známá část) je složen z hmoty, nikoli z antihmoty. Výsledkem procesu, který způsobil tuto disproporci, je fenomén, který se nazývá „baryonová asymetrie vesmíru“. Proč k ní ale došlo?

Následkem výše popsaného jevu, jemuž říkáme „anihilace“, se mohlo stát, že by náš vesmír byl vyplněn pouze zářením, tj. fotony. Proč tomu tak není, bylo dlouho jednou z největších záhad moderní fyziky. V druhé polovině 20. století dospěli fyzikové k nosné teorii vzniku vesmíru, známé dnes jako teorie velkého třesku. V souladu s obecnou teorií relativity vznikl vesmír s nekonečnou teplotou a hustotou v singularitě velkého třesku. Jak se rozpínal, snižovala se teplota záření. Už po setině sekundy se z energie začaly vylupovat kvarky, částice, které v následně vytvořily základní stavební kameny hmoty. Částice v raném vesmíru vznikaly ovšem vždy pouze v párech. To znamená, že každou hmotnou částici, např. zmíněný kvark, provázel její antičásticový protějšek, tedy antikvark. Proč ovšem tyto páry částice-antičástice neanihilovaly?
Odpovědět na tuto otázku byla pro fyziky tvrdým oříškem. První stopu, proč v prvních desetinách sekundy existence vesmíru nedošlo k totální anihilaci částic, našla v roce 1956, ještě před objevem samotných kvarků, dvojice amerických fyziků čínského původu Čchen Ning Jang a Cung Tao Li.

Pouhý rok před tím, tedy v roce 1955, zveřejnil rakouský fyzik Wolfgang Pauli, autor slavného tzv. Pauliho principu výlučnosti, matematickou podobu své teorie označované jako „CPT symetrie“. Tato teorie říká, že hodnoty elektrického náboje (C), parity (tedy prostorových souřadnic a jejich zrcadlového obrazu – P) a času (T) se nemění, zaměníme-li částici za antičástici. Jinak řečeno, výsledkem působení CTP symetrie na nějaký děj je další fyzikálně přípustný děj, který lze popsat stejným teoretickým aparátem jako děj původní. Fyzici, kteří mají odnepaměti slabost pro symetrii, přijali tuto teorii s nadšením.

Částicové experimenty v té době ukázaly, že rodina nestabilních K-mezonů (neboli kaonů) se nerozpadá na stabilnější částice tak, jak byli výzkumníci dosud zvyklí. Jejich doba rozpadu byla příliš dlouhá (až biliontina sekundy). Říkalo se, že tyto kaony jsou „podivné částice“ a porušují pravidla hry. Proč tomu tak bylo? To nikdo z fyziků vysokých energií netušil a jen máloco jim nadělo tolik starostí jako právě rozpady těchto mezonů. Mezony jsou vůbec obzvlášť „lehkomyslnými“ částicemi. K jejich vlastnostem patří, že z veličin, jimiž se částice liší od antičástice, mají nulové všechny náboje s výjimkou elektrického. Jsou-li však mezony neutrální (jako zmíněný K-mezon), mají i ten nulový. Aby fyzikové vysvětlili dlouhou dobu rozpadu kaonů, zavedli v roce 1954 Murray Gell-Mann a Kzuhito Nishijima novou hodnotu elementárních částic, pro níž se vžil název „podivnost“. Neutrální K-mezon (neboli kaon) se od svého antikaonu liší právě jen svou podivností.

Záhadu podivných rozpadů kaonů trvala, dokud Čchen Ning Jang a Cung Tao Li nenabídli koncept, jenž spočíval v tom, že slabá interakce si ve světě částic vynucují porušení takzvaného pravidla parity (P). Pravidlo parity, jež do té doby fyzici bezvýhradně uznávali, nám říká, že přírodní zákony se při zrcadlovém otočení nemění, obecněji – že příroda se ve fyzikálním smyslu neunavuje s rozlišením pravé a levé strany. (Pravá a levá? To ponechme politikům, žertovali dlouho fyzikové.) Teď se ovšem ukázalo něco jiného. Že by P symetrie neplatila absolutně? Že by příroda na velmi jemné úrovni protivných nestabilních mezonů pravou a levou stranu rozlišovala?
Experimenty, provedené pod vedením americké fyzičky (rovněž čínského původu) Ťien Šiung Wuovou, záhy ukázaly, že tomu tak vskutku je. Její experiment si lze znázornit takto: představme si radioaktivní vzorek, ze kterého díky beta rozpadu vyletují elektrony. Teď se na tento systém se podíváme v zrcadle a sledujeme, jakým směrem elektrony vyletují. Následně náš systém převrátíme, aby v novém pokusu bylo vše uspořádáno jako v zrcadlovém obraze z minulého pokusu a budeme se dívat přímo. Co dělají elektrony? Člověk by předpokládal, že budou vyletovat stejně jako v minulém pokusu. Avšak opak je pravdou. Elektrony se pohybují jinak. Experimentální práce fyzičky Wuové prokázala, že v mikrosvětě neplatí zrcadlová souměrnost, přesněji řečeno symetrie P se u slabé interakce porušuje. Závěr zněl: Zákon parity neplatí při každém vzájemném působení částic! Čchen Ning Jang a Cung Tao Li obdrželi za toto zjištění Nobelovu cenu za fyziku již v roce 1957, pouhý rok po uveřejnění své teorie, což svědčí o mimořádné důležitosti jejich objevu (http://nobelprize.org/physics/laureates/1957/index.html).

(Intermezzo 1: Krátce nato vypracovali fyzici Murray Gell-Mann a George Zweig teorii kvarků. Brzy se ukázalo, že každý ze tří kvarků musí mít svůj antikvark, čímž se koncept antičástic stal nezbytným pro později vzniklý Standardní model elementárních částic.)

(Intermezzo 2: Ne každá teorie, kterou inspirovala fyzikální dualita částice-antičástice, se uchytila. Příkladem je odvážný koncept amerických fyziků Johna Wheelera a Richarda Feynmana, který předpokládá, že každá částice je jakousi cestou zpátky v čase. Wheeler totiž jednou Feynmanovi řekl: „Vím, proč mají všechny elektrony stejnou hmotnost. Jsou všechny jediným elektronem!“ Feynmanovo doplnění této myšlenky spočívalo v tom, že pozitron je možné chápat jako elektron cestující zpět v čase. Podle této úvahy by všechny elektrony a pozitrony, stejně jako jiné páry částice-antičástice, vlastně byly součástí různých „světočar“, které by vytvářely mnohonásobnou vlnovku kmitající dopředu a zpět v čase. Problémem je, že tento koncept vyžaduje stejný počet částic a antičástic ve vesmíru, což, jak již víme, neodpovídá skutečnosti. Antihmota se ztratila. Zda celá, nebo jen její část, to dosud z|ustává otázkou. Nicméně myšlenka, že pozitrony lze považovat za elektrony pohybující se zpět v čase, se zdá platná. Feynmann ji nakonec zahrnul do svých slavných diagramů kvantové elektrodynamiky.)

Poznámka Pavel Houser: Dovolím si vstoupit do článku s pokusem přiblížit výklad. CPT symetrie je velmi silným požadavkem, který je nadále pokládán za platný, i když se prokázalo narušení symetrie P, respektive CP (v jistém ohledu lze říct, že bez narušení P symetrie by byla CPT symetrie i "zbytečně silná"; takto ovšem z narušení P/CP symetrie vyplývá, že současně musí být při příslušných dějích narušeny i další symetrie – viz dále.)

Zpět k CPT invarianci. Zdaleka totiž ještě nebylo řečeno poslední slovo. V roce 1964 američtí fyzikové James Cronin a Val Fitch experimentálně prokázali, že rozpad neutrálních K-mezonů občas vede k tomu, že se částice mění v antičástice. Někdy se tyto kaony rozpadaly tak, jak se očekávalo, jindy, třebaže velmi zřídka, po sobě zanechávaly částice s jinými náboji. Tento proces porušoval další pravidlo „zdravého rozumu“, tzv. „zachování nábojové konjugace (C). A aby to nebylo tak jednoduché, ukázalo se, že nábojová konjugace (C) se někdy odchyluje samostatně, jindy zase společně s porušení parity (tzv. CP invariance). Tyto jevy si nadto vynucovaly i změnu „směru času“. Neboť pokud v částicovém světě můžeme narušit zákon parity i nábojovou konjugaci, musí pro danou částici běžel čas (T) pozpátku – ať už to "ve skutečnosti" znamená cokoliv. Vyplývá to z principu CPT symetrie.
Ukázalo se, že se jedná sice o velice jemný, ale zásadní proces. Britský fyzik Roger Penrose řekl: „Zdá se, že v rozpadu neutrálního kaonu se skutečně projevuje sotva postřehnutelná asymetrie času. Je těžké neuvěřit tomu, že se nám příroda doslova snaží cosi sdělit prostřednictvím výsledku tohoto delikátního a půvabného experimentu.“

Závěr? Zapomeňme na absolutní symetrii ve světě částic. I když není představitelné, že by CPT invariance mola mít vliv na současný svět hmoty (resp. nemění nic na nevratnosti řady fyzikálně-chemických procesů), v raném vesmíru zřejmě ovlivnila fundamentální asymetrii mezi hmotou a antihmotou a ve svém důsledku způsobila, že mohly vzniknout atomy. James Cronin a Val Fitch si na Nobelovu cenu museli počkat, ale nakonec ji přece jen v roce 1980 obdrželi (http://nobelprize.org/physics/laureates/1980).

Důsledky Croninova Fitchova objevu byly pro moderní fyziku nedozírné. Narušení symetrie ukázalo, že fyzikální zákony pro částice nejsou nutně stejné jako pro antičástice. Toto zjištění má velmi podstatné důsledky: vesmír složený z antičástic by se vyvíjel jinak než náš vesmír, kde nepochybně hrají prim částice. Částicovou fyziku lze nyní chápat nikoli jako přesně harmonickou „hudbu sfér“, jak doufal britský fyzik Paul Dirac, nýbrž jako studium symetrií, a to jak realizovaných, tak nerealizovaných. Jestliže pro současný vesmír jsou na úrovni mikrosvěta charakteristické i narušené symetrie, dokonalou symetrii se vyznačoval patrně pouze velmi raný vesmír. Steven Weinberg k tomu poznamenal: „Důležitost narušených symetrií je v tom, že dělá svět takovým, jaký je.“

Raný snímek drah rozpadu K mezonu pořízené v bublinkové komoře.

Čchen Ning Jang (*1922), americký fyzik čínského původu. Dnes emeritní profesor Ústavu pokročilých studií v Princetonu. V roce 1957 získal společně s Liem Nobelovu cenu za fyziku – za základní výzkum tzv. zákona zachování parity, což vedlo k významným objevům týkajících se základních částic.

Čung Tao Li (*1926), americký fyzik čínského původu. Nobelovu cenu za fyziku obdržel v pouhých jednatřiceti letech.

Ťien Šiung Wu (1912- 1997), americká fyzička čínského původu. Působila na Kalifornské univerzitě v Berkley a na Ústavu pokročilých studií v Princetonu. Experimentálně zjistila, že z radioaktivních jader kobaltu vyletují elektrony ve směru spinu hojněji než proti němu, což byl první empirický důkaz CP invariace.

Val Fitch (*1923), americký fyzik. Společně s J. Crominem dokázali, slabá interakce skutečně porušuje invarianci vůči transformaci CP, a může tedy na úrovni elementárních částic dokonce ovlivňovat i směr toku času. Nobelova cena za fyziku v roce 1980.