Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 47 – vyšlo 22. listopadu, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

47/2004

Liší se hmota od antihmoty?

Petr Kulhánek

Po dlouhá léta panoval mezi fyziky názor, že kdyby někdo měl tu moc a vybudoval svět z antihmoty, choval by se stejně, jako svět z hmoty. Na první pohled je ale zarážející, že ve vesmíru v drtivé většině pozorujeme hmotu. Kde se vzala tak velká nerovnováha mezi hmotou a antihmotou? Chovají se částice z hmoty skutečně stejně jako z antihmoty? Dnes víme, že nikoli. Podstatnou měrou k poznání antihmoty přispěly i experimenty s kvarky b konané na aparatuře BABAR ve Stanfordu. Článek, který o těchto experimentech vyšel v srpnu 2004 má přes 700 autorů ze 78 významných světových institucí.

SLAC – Stanford Linear Accelerator Center, přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordské universitě v Kalifornii. Urychlovač je v provozu od roku 1962. PEP-II – asymetrický kolider ve Stanfordu skládající se ze dvou nezávislých prstenců, uložených nad sebou v existujícím PEP tunelu. Termín asymetrický znamená, že energie elektronů a pozitronů v obou prstencích nejsou shodné. V prstenci HER (High Energy Ring) jsou elektrony urychlené na 9 GeV a v prstenci LER (Low Energy Ring) pozitrony urychlené na energii 3,1 GeV. BABAR – B and B-bar experiment. Detekční aparatura na kolideru PEP-II ve Stanfordu, které se přezdívá B-factory (továrna na exotické mezony obsahující kvarky b, b′ ). C invariance – symetrie vhledem k nábojovému sdružení (C = Charge). Nábojovým sdružením rozumíme nahrazení částice antičásticí, která má všechny kvantové charakteristiky s opačným znaménkem. O symetrii hovoříme, pokud by se přístroj vybudovaný z antičástic namísto částic choval stejně jako jeho částicový protějšek. Zkrátka vesmír z antihmoty by měl stejné vlastnosti jako vesmír z hmoty. P invariance – symetrie vzhledem k záměně levého a pravého směru (P = Parity). O symetrii hovoříme, pokud by se přístroj vytvořený podle zrcadlového obrazu choval shodně s původním přístrojem. T invariance – symetrie vzhledem k obrácení chodu času (T = Time). O symetrii hovoříme, pokud děj půjde "pustit pozpátku", podobně jako lze pustit pozpátku film. V praxi to znamená obrácení směrů rychlostí všech částic. Dlouho se zdálo, že fyzikální zákony na částicové úrovni splňují T symetrii. (Pozor nejde ale o makroskopické, statistické chování, zde jsou děje vždy nevratné, rozbitý talíř se sám nikdy nespojí). Antihmota – látka složená z antičástic. Atomární obaly jsou tvořeny pozitrony, jádra antiprotony a antineutrony. Anihilace – proces zániku částice a antičástice, při které se přemění na záření. Leidenfrostova vrstva – vrstva plynů, která odděluje kapalinu od horkého podkladu. Pojmenována podle Johanna Gottloba Leidenfrosta, který ji poprvé popsal v roce 1756. Bevatron – synchrotron pro urychlování nabitých částic zkonstruovaný v roce 1954 v Lawrence Berkeley Laboratory. Název je akronymem z "Billion ElectronVolt synchroTRON" (synchrotron urychlující na miliardy elektronvoltů). Maximální dosažitelná energie protonů byla 6,3 GeV.  Provoz urychlovače byl ukončen v roce 1993. Synchrotron – cyklický urychlovač nabitých částic s vhodně proměnným magnetickým polem. Je dalším vývojovým stupněm cyklotronu, který pracuje jen s konstantním polem.

Dirac, záporné moře a antičástice

Antihmota bude jednou provždy svázána se jménem jednoho z největších fyziků historie, Paula Adriena Maurice Diraca (1902-1984). Když mu v jeho relativistické kvantové rovnici pro elektron (Diracova rovnice) začaly vycházet záporné energetické stavy, nezakázal je jako nefyzikální, jak by to asi udělala většina jeho současníků, ale představil si, že všechny záporné energetické stavy jsou obsazeny nekonečným mořem elektronů. Pokud je elektron z tohoto záporného moře vyražen do některého z kladných stavů, zůstane po něm díra. Pozorovateli se bude díra zdát jako elektron s kladnou energií, hmotností a kladným nábojem. Na základě těchto úvah dospěl v roce 1931 Dirac k názoru, že záporné energetické stavy by bylo možné interpretovat jako kladný elektron s kladnou hmotností a předpověděl existenci pozitronu. Jeho objev Carlem Andersonem v roce 1932 byl obrovským triumfem teoretické fyziky.

Dnes víme, že ke každé částici existuje antičástice, která se od částice liší opačnou hodnotou všech kvantových čísel. Z antičástic můžeme tvořit větší celky podobně jako z částic. Například antiproton s pozitronem vytvoří antivodík, který má záporně nabité jádro a kladně nabitý obal. V principu takto můžeme vytvořit celý antisvět z antihmoty. Poprvé byla uměle antihmota vytvořena v roce 1950 na bevatronu v Lawrence Berkeley Laboratory.

Alfvén, anihilace a vesmír z antihmoty

Ve sci-fi literatuře se většinou setkáme s názorem, že potká-li se těleso vytvořené z hmoty s objektem z antihmoty, dojde k obří explozi. Není to tak docela pravda. Při prvním kontaktu obou těles sice dojde k překotné anihilaci, která je doprovázena tvorbou obrovského množství fotonů, ale právě tyto fotony vytvoří mezi hmotou a antihmotou vrstvu, která obě tělesa oddělí. Anihilace tak nikdy nebude mít objemový charakter, ale plošný. Jde o obdobný jev, jakým je poskakující kulička vody na rozpálené plotně. Její dotyk s plotnou vytvoří páru, která kuličku izoluje od plotny a odpaření kuličky tak proběhne velmi pomalu. Taková mezivrstva zabraňující danému procesu se nazývá Leidenfrostova vrstva. Hannes Alfvén (1908-1995) v šedesátých letech vyslovil domněnku, že ve vesmíru mohou být rozsáhlé oblasti antihmoty. Jejich styku s hmotou je zabráněno Leidenfrostovými vrstvami a my se tak o antihmotě můžeme dozvědět jen omezeně, prostřednictvím antičástic, které prošly Leidenfrostovou vrstvou k nám. Dnes tato teorie není obecně přijímána a zdá se, že je experimentálně vyvrácena. O to více se musíme ptát, proč je vesmír složen jen z hmoty a ne z antihmoty.

CPT symetrie

Logo pracovního setkání CPT and Lorentz Symmetry
konaného v USA na Indiana University v roce 1998

Od počátku 20. století si často fyzikové kladli závažné otázky, jako například: Choval by se svět z antihmoty stejně jako svět z hmoty? Hovoříme o tzv. C symetrii neboli invarianci. Písmeno C pochází z anglického Charge (náboj), jde tedy o symetrii vzhledem k záměně všech nábojů za opačné (nejen elektrického, ale i vůně, barvy, atd.). Další otázkou je, zda by se choval stejně svět, ve kterém by všechny levé směry byly nahrazeny pravými a naopak. Kdyby oživl svět za zrcadlem, měl by stejné vlastnosti jako ten před zrcadlem? Hovoříme o tzv. P symetrii, písmeno P pochází z anglického slova Parity (stejnost, rovnost). Poslední ze základních otázek se týká T symetrie, písmeno T pochází z anglického Time (čas). Jde o symetrii vzhledem k obrácení chodu času. Když nafilmujeme nějaký fyzikální děj a pustíme si film pozpátku, může tento obrácený děj také nastat v přírodě? Bohužel, dnes je odpověď na všechny tři otázky záporná. Zdá se ale, že kombinovaná CPT symetrie by měla platit. Kdybychom měli nějaký přístroj z hmoty a nafilmovali jeho činnost, mohli bychom (alespoň teoreticky) postavili přístroj, který by byl celý z antihmoty, byl by zrcadlovým obrazem původního přístroje a choval by se podle původní nahrávky puštěné pozpátku. Historii hledání narušení C, P a T symetrie nalezne čtenář v kapitole CPT symetrie v sekci ASTROFYZIKA na serveru ALDEBARAN.

Symetrie	Objev narušení	Objevitel	Pracoviště
P	1957	T. D. Lee, C. N. Yang, C. S. Wu	Columbia University (USA)
CP	1964	J. W. Cronin, V. Fitch	Brookhaven National Laboratory (USA)
T	1999	M. Arenton (tým mnoha desítek vědců)	Fermilab (USA)

Experimenty na zařízení BABAR v roce 2004

První nepřímá evidence narušení CP symetrie pochází již z roku 1964. V roce 2001 byly provedeny detalní experimenty na aparatuře BABAR ve Stanfordu, která je součástí prstence PEP-II. Na této aparatuře se střetnou urychlené svazky elektronů a pozitronů. Vzniká řada částic a antičástic obsahujících b kvarky. Především jde o rodinu B mezonů a částici upsilon (beautonium). Experimenty potvrdily nepřímo narušení CP symetrie (narušení symetrie mezi hmotou a antihmotou a mezi levopravou symetrií). Tyto experimenty vyústily v přímé pozorování zatím největšího narušení CP symetrie mezi hmotou a antihmotou, které bylo oznámeno v srpnu 2004. Sledovány byly rozpady částice B⁰ a její antičástice (B⁰)′. Rozpad obou částic má řadu možností, z nichž byl také sledován relativně vzácný rozpad na dvojici kaon a pion, konkrétně šlo o reakce

B⁰ → K⁺ + π⁻

(B⁰)′ → K⁻ + π⁺

V případě stejných vlastností hmoty a antihmoty by obě reakce měly probíhat stejně pravděpodobně a měly by se objevovat stejné počty párů (K⁺ π⁻) a (K⁻ π⁺). Skutečnost byla ale jiná. V experimentu bylo detekováno 910 párů (K⁺ π⁻) a jen 695 párů (K⁻ π⁺). Způsob rozpadu hmoty a antihmoty tak probíhá prokazatelně odlišně.

Kolider PEP-II je napojen na lineární urychlovač (LINAC). 1: elektronové dělo, 2: 200 MeV injektor, 3: útlumový prstenec (1,3 GeV), 4: zdroj pozitronů, 5: vratná trasa pozitronů. V pravé části jsou prstence LEP-II: vysokoenergetický prstenec HER (High Energy Ring) a nízkoenergetický prstenec LER (Low Energy Ring). Detail topologie prstenců a umístění detektoru BABAR vzhledem k prstencům je na spodním obrázku.    Experiment BaBar. Nalevo model, napravo při instalaci v dubnu 1999.

Epilog aneb proč je ve vesmíru jen hmota

Podle dnešních představ bylo těsně po Velkém třesku ve vesmíru stejně hmoty i antihmoty. K nepatrnému narušení této rovnováhy by mělo dojít zhruba v čase 10⁻³⁰ s po Velkém třesku, kdy ve vesmíru panovala teplota 10²⁵ K a průměrná energie částic byla 10¹² GeV. V těchto extrémních podmínkách docházelo k přechodům mezi leptony a kvarky, za které byly zodpovědné intermediální (polní) částice X a Y. Existenci těchto částic předpovídají teorie sjednocení všech čtyř interakcí. Narušení CP symetrie v přírodě bylo ale zodpovědné za to, že vzájemné přeměny leptonů a kvarků probíhaly mírně nesymetricky:

V reakcích kvark ↔ antilepton a antikvark ↔ lepton převládly nepatrně směry antilepton → kvark a antikvark → lepton. Na miliardu reakcí v obou směrech se vyskytla jen jedna částice navíc ve prospěch hmoty. Mnohem později, až vesmír podstatněji ochladl, došlo k postupné anihilaci hmoty a antihmoty na záření. Na každou miliardu anihilujících částic a antičástic zbyla ve vesmíru jedna jediná částice hmoty. A právě z těchto zbylých částic je postavený dnešní vesmír.

Mezon	Anti- částice	Kvarková konfigurace	Hmotnost [MeV]	Poločas [s]
π+	π-	ud′	139,6	2,60×10−8	pion
π0	π0	uu′+dd′	135,0	0,83×10−16	pion
K+	K−	us′	493,7	1,24×10−8	kaon
K0S	(K0S)′	ds′−sd′	497,7	0,89×10−10	kaon
K0L	(K0L)′	ds′+sd′	497,7	5,2×10−8	kaon
η0	η0	uu′+dd′−2ss′	548,8	<10−18
ρ+	ρ−	ud′	770	0,4×10-23	róon
φ	φ	ss′	1020	20×10−23
D+	D−	cd′	1869,4	10,6×10−13
D0	(D0)′	cu′	1864,6	4,2×10−13
D+S	D−S	cs′	1969	4,7×10−13
J/Ψ	J/Ψ	cc′	3096,9	0,8×10−20	charmonium
B−	B+	bu′	5279	1,5×10−12
B0	(B0)′	db′	5279	1,5×10−12
Y	Y	bb′	9460,4	1,3×10−20	beautonium

Odkazy