Proč při vzniku vesmíru došlo k vítězství hmoty nad antihmotou?
Naše znalosti o částicích říkají, že by na počátku všeho, ve výhni Velkého třesku, měla vzniknout hmota a antihmota přesně ve stejném množství. Vedlo by to k jejich úplné anihilaci a zrodil by se naprosto prázdný vesmír, vyplněný jen zářením. Proč k ničemu podobnému nedošlo?
Náš kosmos sestává z hmoty, temné hmoty a temné energie. Běžná, tedy viditelná látka představuje pouze jeho malou část, okolo 5 %. Podle standardního modelu částicové fyziky existují k látkovým elementárním částicím zmíněné hmoty příslušné částice antihmoty: Jde o jejich zrcadlové obrazy, v určitých parametrech stejné a zároveň odlišné svými náboji. Ze standardního modelu rovněž vyplývá, že by při Velkém třesku mělo vzniknout identické množství hmoty a antihmoty, k čemuž ovšem zjevně nedošlo. Když se totiž částice hmoty a antihmoty setkají, nastane anihilace – ultimátní exploze, při které se uvolní 100 % jejich energie.
Letitá záhada
Všechny ostatní známé typy explozí či reakcí, při nichž se uvolňuje energie, jsou mnohem méně účinné. Pokud by se v raném kosmu, který ještě nebyl moc velký, objevilo shodné množství hmoty a antihmoty, částice a antičástice by se navzájem zlikvidovaly anihilací. Zbyl by vesmír, v němž by se nevyskytovalo nic jiného než ohromná spousta záření. Proč k tomu tedy nedošlo?
Fyzici nabídli řadu hypotéz, přesto jsme se k objasnění letité záhady příliš nepřiblížili. Některé ze zmíněných představ zavádějí nové částice, jejichž rozpadem by vzniklo víc hmoty než antihmoty. Nebo by mohly s hmotou interagovat jinak než s antihmotou. Část hypotéz přitom zahrnuje určité vedlejší projevy, které bychom snad měli být schopni detekovat.
Mezi takové slibné projevy řadí odborníci elektrický dipólový moment, jenž by měl představovat nepatrný rozdíl mezi těžištěm hmoty elektronu a těžištěm jeho elektrického náboje. Zmíněný fenomén se dosud nepodařilo detekovat, a pokud existuje, bude dost možná mnohem menší, než zvládnou zachytit současné experimenty. Podle některých hypotéz vysvětlujících nepoměr mezi hmotou a antihmotou by však mohl být dostatečně velký na to, abychom ho dokázali zjistit. Vědci se o to každopádně pokoušejí.
Narušená symetrie
Fyzik Luke Caldwell a jeho kolegové se nedávno snažili detekovat elektrický dipólový moment v laboratořích institutu JILA na University of Colorado v Boulderu, přičemž vyvinuli nový postup, který jim ho umožnil změřit dosud nejpřesněji. Jejich výzkum souvisí s tzv. CP symetrií, tedy s C symetrií konjugace náboje a P symetrií parity. Její zachovávání pak znamená, že ke každému ději existuje děj obdobný, ve kterém se všechny částice zamění za odpovídající antičástice (což odpovídá C symetrii) a současně se obrátí prostorové souřadnice (což odpovídá „zrcadlové“ neboli P symetrii).
Sovětský fyzik Andrej Sacharov v roce 1967 odvodil, že se CP symetrie těsně pojí s poměrem mezi hmotou a antihmotou. Pokud by byla stále zachována, vznikl by podle fyzikálních modelů pustý vesmír plný záření, protože by veškerá hmota anihilovala s antihmotou. Jelikož se ovšem utvořil kosmos, jaký se utvořil, muselo – podle předpokladů Sacharova a později i mnohých dalších – někdy nastat určité narušení CP symetrie.
Zhruba v té době se také ukázalo, že k jejímu narušení vlastně občas dochází v přírodě. Například slabá fyzikální síla, zodpovědná za radioaktivitu atomových jader, mírně narušuje CP symetrii, když interaguje s kvarky – elementárními částicemi utvářejícími třeba protony a neutrony. Na druhou stranu všechny známé případy narušení CP symetrie nepostačují k objasnění nepoměru mezi hmotou a antihmotou, který vedl k vývoji našeho vesmíru. Jak se zdá, abychom takové vysvětlení nalezli, budeme potřebovat nějaké nové, dosud neznámé fyzikální jevy.
Provázání kvantových polí
Caldwell s kolegy proto pátrali po nových částicích, jež by k objasnění dotyčného nepoměru přispěly, a hledali případné nenápadné stopy jejich vlivu na již známé částice. Využívali přitom fakt, že má standardní model částicové fyziky povahu teorie kvantového pole, kde základní stavební kameny vesmíru netvoří částice, nýbrž právě pole. Podle popsaných představ existuje pole pro každý typ částic, od běžných až po velmi exotické.
Ve zjednodušené představě jde o dvourozměrnou plochu, která se může vlnit jako hladina jezera – a protože se jedná o pole kvantové, mohou zmíněné vlny nabývat jen určitých hodnot. Nejmenší možné vlny představují částici, přičemž ty pozitivní odpovídají částicím hmoty, zatímco negativní částicím antihmoty. Minimální množství energie potřebné k vytvoření takové vlny vlastně koresponduje s klidovou hmotností konkrétní částice.
Různá pole částic jsou podle kvantové teorie pole navzájem provázána a vlnění v jednom z nich ovlivní další. Kupříkladu oscilující vlna v elektronovém poli vyvolává vlny v elektromagnetickém poli fotonů, čehož denně využíváme například u rádií a chytrých telefonů. Provázání polí může fyzikům pomoct s problémem hmoty a antihmoty: Velice přesná měření by mohla odkrýt nesoulad mezi standardním modelem a reálnou situací, což by odhalilo částice či jevy související s hledaným řešením. Například elektron si lze představit jako vlnu složenou z působení polí částic známých ve standardním modelu – podobně jako když velká vlna na vodě dělá brázdu ve vzduchu, jenž se nachází nad ní.
Odpověď možná přinese detailní měření parametrů známých polí v souvislosti s elektronem. V daném směru se k výzkumu hodí ty jeho vlastnosti, které by dle standardního modelu měly mít nulovou či nesmírně malou hodnotu. Jedná se právě o elektrický dipólový moment elektronu: Pokud existuje, mohou jej způsobovat jedině interakce, jež narušují CP symetrii. Standardní model v takovém případě připouští pouze její nesmírně malé narušení, zcela nedosažitelné dnešními experimenty. Naopak řada teorií, které standardní model rozšiřují, aby vysvětlily pozorovanou převahu hmoty nad antihmotou, počítá s takovým narušením CP symetrie v souvislosti s elektrickým dipólovým momentem elektronu, že by mělo být v dosahu našich pokusů již dnes či v blízké budoucnosti.
Na hranici možností vědy
Při pátrání po elektrickém dipólovém momentu elektronu umístili Caldwell a jeho kolegové zmíněnou částici do magnetického pole, na které poté aplikovali pole elektrické – jednou uspořádané paralelně s tím magnetickým, podruhé antiparalelně. Následně měřili kmitání elektronu a zjišťovali, jak se v obou případech liší. Věděli, že pokud elektrický dipólový moment elektronu existuje, může být jedině velice malý, přinejlepším na hranici citlivosti měření a dostupných přístrojů. Museli proto hledaný signál zesilovat řadou triků, včetně použití elektronů z těžkých dvouatomových molekul fluoridu hafnia se 72 protony v atomovém jádru. Hafnium patří mezi nejtěžší neradioaktivní kovy v periodické tabulce: Elektrony se kolem takto masivních atomových jader pohybují rychlostí blízkou světlu, čímž vytvářejí ohromující elektrická pole – asi milionkrát silnější než ta, která dovedeme vyrobit v laboratoři. Uvedený fakt potom vědci při svých měřeních šikovně využili.
Odborníci měřili potřebné údaje s využitím iontové pasti a v jednom kole experimentu zvládli proměřit vždy jen pár stovek elektronů. Nakonec strávili v laboratoři dva měsíce a získali data o více než 100 milionech elektronů. Následně je detailně analyzovali a odstraňovali z nich chyby systematického rázu, které bylo možné odhalit – což trvalo zhruba dva roky. Vědci museli předejít situaci, kdy by s nadšením oznámili objev nové částice či jevu, načež by někdo další po zopakování experimentu zjistil, že se ve skutečnosti jednalo o omyl. Zdrojem chyb se může stát například lidský faktor nebo třeba chování použitého magnetického pole.
Rezultát pracného experimentu zní, že elektron elektrický dipólový moment nemá – nebo je natolik nepatrný, že se nachází mimo dosah zmíněného pokusu. Uvedený závěr odpovídá i předešlým experimentům, a navíc došlo asi ke dvojnásobnému zpřesnění dřívějších měření. Sečteno a podtrženo, v současnosti neexistuje důkaz, že by elektron měl elektrický dipólový moment. Ačkoliv to podle Caldwella není tak vzrušující, jako kdyby jej s kolegy objevili, ustanovili pro možnou velikost elektrického dipólového momentu elektronu nový horní limit. Jejich výsledek, stejně jako výsledky dalších podobných studií z nedávné doby, znamenal pro mnohé odborníky překvapení.
Éra nových experimentů
Podle Caldwellova týmu je možné, že pole spojená se standardním modelem přispívají k formování elektrického dipólového momentu elektronu jen nepřímo, a tudíž méně, než by na první pohled vyplývalo z hmotnosti příslušných částic. Vědci by mohli takový scénář ověřit podobnými měřeními pro jiné elementární částice, které se na rozdíl od elektronu skládají z kvarků. V takových případech by mělo být vzájemné provázání polí odlišné. V současnosti už popsaná měření probíhají pro neutrony a atomová jádra rtuti, přičemž se mnoho podobných experimentů plánuje v dohledné době.
Další možnost zní, že mají hledaná nová pole částice o něco vyšší energii nebo jsou méně provázaná. Pak by byl elektrický dipólový moment elektronu nedosažitelný experimentem v podobě, jakou použil Caldwellův tým, ale časem by mohl být dostupný pro další generaci pokusů.
Podle Caldwella bychom měli v příští dekádě vidět významně přesnější pozorování, směřující k objevu elektrického dipólového momentu elektronu. Počítá se také se zásadním prosazením experimentu ACME III neboli Advanced Cold Molecule EDM americké Northwestern University, zatímco další odborníci připravují měření, která využívají neutrální molekuly v pastech z laserových paprsků. Kanadští vědci potom plánují použít molekuly uvězněné v pevných krystalech zmrazených vzácných plynů. Bylo by tak možné proměřit ohromující množství elektronů v každém kole experimentu; ještě se však musí zjistit, jak taková měření ovlivňují pole atomů ve zmíněných krystalech.
Caldwell i další fyzici doufají, že nakonec elektrický dipólový moment elektronu buď detekují, nebo omezí jeho možnou velikost do té míry, že vyloučí vliv všech možných polí a částic, o nichž se uvažuje jako o potenciálním vysvětlení původní záhady s hmotou. Jelikož existujeme a tvoří nás běžná látka, muselo se v raném vesmíru vyskytovat o něco víc hmoty než antihmoty. Snad jednou odhalíme přesvědčivou příčinu.
