Ztracená antihmota (4): Pátrání po antihmotě

Fyzika | 08.12.2004

Poznání „narušení symetrie“ má v moderní fyzice a kosmologii hluboké důsledky pro pochopení vývoje našeho vesmíru: Když vesmír krátkou chvíli po své genezi expandoval a chladl, začalo více částic zanikat než vznikat. Pokud by nebylo o něco více elektronů než pozitronů, kvarků než antikvarků, pak se obyčejné částice, jako jsou elektrony a kvarky, v dnešním vesmíru nevyskytovaly. Tato počáteční převaha hmoty nad antihmotou byla sice nepatrná, ale zásadní.

Sdílet

Ve třetí části našeho seriálu o fenoménu antihmoty jsme popsali, jak se v historii vědy prosazoval a jaké důsledky měl objev „narušení symetrie“. Čtvrtá, poslední část informuje o způsobech pátrání po „ztracené“ antihmotě ve vesmíru.

Nejprve opět krátké shrnutí. Poznání „narušení symetrie“ má v moderní fyzice a kosmologii hluboké důsledky pro pochopení vývoje našeho vesmíru: Když vesmír krátkou chvíli po své genezi expandoval a chladl, začalo více částic zanikat než vznikat. Pokud by nebylo o něco více elektronů než pozitronů, kvarků než antikvarků, pak se obyčejné částice, jako jsou elektrony a kvarky, v dnešním vesmíru nevyskytovaly. Tato počáteční převaha hmoty nad antihmotou (způsobená podle všeho narušením CPT) byla sice nepatrná, ale zásadní. Fyzikové odhadují, že na každý trilion antičástic připadalo o jednu částici navíc. To následně způsobilo, že ze z této „přebývající“ hmoty vznikly asi za tři minuty po singularitě velkého třesku lehká jádra, o asi milion let později atomy a ještě později v nitru hvězd těžší prvky. Poměr mezi hmotou a antihmotou je tedy jednou z klíčových počátečních podmínek, které určily další vývoj našeho vesmíru.

Jestliže víme, že převaha hmoty ve vesmíru na úkor antihmoty souvisí s porušováním parity a nábojové symetrie ve slabých jaderných interakcích, stále nejsme s to přesně objasnit, proč a jakým způsobem k tomuto narušení dochází u těžkých částic. (Někteří astrofyzikové se dosud domnívají, že vznik baryonů a antibaryonů neprobíhal homogenně, nýbrž odděleně. Vezmeme-li tuto hypotézu v potaz, skládal by se dnešní vesmír z poměrně izolovaných oblastí hmoty a antihmoty, jak si původně představoval Paul Dirac. K anihilaci by za těchto okolností docházelo na rozhraní sousedních oblastí. Tato hypotéza ale dnes nemá mnoho příznivců. Jak jsme uvedli, současný pohled vychází spíše ze skutečnosti, že veškerá antihmota anihilovala s hmotou a hmotný vesmír je výsledkem přebytku hmotných částic, který způsobil fenomén označovaný jako „narušení symetrie“.)

Tento pohled se rodil nesnadno. První, kdo poskytl jasný a nosný teoretický model, byl ruský fyzik Andrej Sacharov. Ten v roce 1967 vypracoval principy, které určují, že v raném stádiu vesmíru jsou produkovány přednostně částice hmoty:
1. Existují procesy, které produkují baryony z nebaryonů.
2. Tyto baryonové interakce (či alespoň ty z nich, které jsou zásadní) porušují zachování jak C, tak i CP. (Pokud by tomu tak nebylo, atomy by nevznikly.)
3. Vesmír se vyvíjí ze stavu tepelné nerovnováhy do stavu tepelné rovnováhy. Je tedy zřetelně vymezeno plynutí času. (Což je závěr, který odvodili již zakladatelé termodynamiky.)

Andrej Sacharov

Stručně řečeno, Sacharov nabídl prosté vysvětlení: díky kvantové asymetrii kvarků se objevil „směr toku času“, který způsobil u antičástic větší nestabilitu než u částic. Hmota nabyla skokově převahy. A antihmota? Teorie je sice logicky konzistentní a nosná, ale máme vskutku jasné důkazy, že zcela anihilovala? Nikoli. Konečná odpověď zůstává otevřená, pokud ji nepodepřeme experimentálním důkazem.

Aby se tak stalo, musíme dokázat, že antihmota skutečně ve vesmíru již neexistuje. Otázka tedy zní: jak ve vesmíru detekovat antihmotu, pokud bychom připustili, že její zbytky existují? Problém, který se zdál být zprvu téměř nezdolatelný, nalezl díky spolupráci evropských a amerických vědců řešení, které by mohlo přinést ovoce. V roce 1998 bylo raketoplánem Discovery vyneseno na Mezinárodní vesmírnou stanici zařízení označované jako AMS-01 (Alfa magnetický spektrometr, Alpha Magnetic Spectometer), jehož úkolem bylo pátrání po vesmírné antihmotě. AMS, výsledek práce skupiny fyziků z MIT vedené laureátem Nobelovy ceny Samuelem Tingem, je vlastně miniaturizovaný vysokoenergetický částicový detektor obsahující přístroj schopný vyhodnocovat dráhy jednotlivých částic. Výsledek nebyl nijak povzbudivý. V průběhu desetidenního pozorování sice detekoval AMS-01 přes 3 miliony dopadů jader, nicméně žádné z nich nebylo složeno z antičástic.

AMS

Tento rok se obdobný experiment opakuje, ale s využitím dokonalejší technologie. Na Mezinárodní vesmírnou stanici byl dopraven senzitivnější detektor AMS-02 (http://hpl3tri1.cern.ch), který znovu pátrá po extragalaktické antihmotě. Zařízení je zdokonaleno o supermagnety umožňujícími vyvinout mnohem silnější magnetické pole a bude schopno ve větším časovém rozmezí vyhodnocovat ne miliony, nýbrž miliardy drah částic. Budou mezi nimi i antičástice? Na konečný výsledek měření, který NASA společně s MIT oznámí snad do konce roku, fyzici netrpělivě čekají.

Základní literatura:

Fischer, Jan: Průhledy do mikrokosmu (Mladá fronta, 1986)
Ferris, Timothy: The Whole Shebang (1997, č. Zpráva o stavu vesmíru, 2000)
Forvard, Robert: Mirror Matter: Pioneering Antimatter Physic (Backprint, 2001)
Gordon, Fraser: Antimatter: The Ultimate Mirror (Cambridge University Press, 2002)
Greene, Brian: The Fabric of the Cosmos (Knopf, 2004)
Gribbin, John: Q is for Quantum: An Encyclopedia of Particle Physics (Touchstone Books, 2000)
Gribbin, John: Schrödingers Kittens (1995, č. Schrödingerova koťata, Columbus, 2001)
Griffis, David: Introduction to Elementary Particles (John Wiley, 1987)
Grygar, Jiří: Vesmír, jaký je (1997)
Halzen, F, Martin A.: Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics (John Wiley & Sons, 1984)
Weinberg, Steven: The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe (1977, 1993, č. První tři minuty, Mladá fronta, 1998)
Rees, Martin: Our Cosmic Habitat (2001, č. Náš neobyčejný vesmír, 2002)
Rees, Martin: Our Final Century (2003)
Shramm, D.N., Ledermann L. M.: From Quarks to the Cosmos: Tools of Discovery (W H Freeman & Co., 1995)
Smith, Timothy: Hidden Worlds: Hunting for Quarks in Ordinary Matter (Princeton Univ Pr, 2002)
Stwertka, Albert: The World of Atoms and Quarks (21st Century Books, 1997)