Site Overlay

Jak vznikla hmota v našem vesmíru z ničeho?

Ve všech měřítkách vesmíru, od našeho místního okolí přes mezihvězdné prostředí až po jednotlivé… galaxie, hvězdokupy, vlákna a velkou vesmírnou síť, se zdá, že vše, co pozorujeme, je tvořeno normální hmotou, nikoli antihmotou. To je nevysvětlitelná záhada.

NASA, ESA a Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Když se podíváte na rozlehlý vesmír, na planety, hvězdy, galaxie a vše, co tam venku je, jedna zřejmá otázka volá po vysvětlení: proč je tam něco místo ničeho? Problém se ještě zhorší, když se zamyslíte nad fyzikálními zákony, kterými se řídí náš vesmír a které se zdají být zcela symetrické mezi hmotou a antihmotou. Přesto když se podíváme na to, co je venku, zjistíme, že všechny hvězdy a galaxie, které vidíme, jsou ze 100 % tvořeny hmotou a antihmota se v nich téměř nevyskytuje. Je jasné, že existujeme, stejně jako hvězdy a galaxie, které vidíme, takže něco muselo vytvořit více hmoty než antihmoty, což umožnilo vznik vesmíru, který známe. Ale jak se to stalo? Je to jedna z největších záhad vesmíru, k jejímuž rozluštění jsme však blíže než kdy dříve.

Obsah hmoty a energie ve vesmíru v současnosti (vlevo) a v dřívějších dobách… (vpravo). Všimněte si přítomnosti temné energie, temné hmoty a převahy normální hmoty nad antihmotou, která je tak nepatrná, že se na ní nepodílí v žádné ze zobrazených dob.

NASA, upraveno uživatelem Wikimedia Commons 老陳, dále upraveno E. Siegel

Přemýšlejte o těchto dvou skutečnostech o vesmíru a o tom, jak jsou protichůdné:

  1. Každá interakce mezi částicemi, kterou jsme kdy pozorovali, při všech energiích, nikdy nevytvořila nebo nezničila jedinou částici hmoty, aniž by zároveň nevytvořila nebo nezničila stejný počet částic antihmoty.
  2. Když se podíváme na vesmír, na všechny hvězdy, galaxie, plynná mračna, shluky, superklastry a nejrozsáhlejší struktury všude kolem, zdá se, že vše je tvořeno hmotou a nikoli antihmotou.

Vypadá to jako nemožnost. Na jedné straně není vzhledem k částicím a jejich interakcím ve vesmíru znám způsob, jak vytvořit více hmoty než antihmoty. Na druhou stranu vše, co vidíme, je určitě tvořeno hmotou a ne antihmotou. Tady je, jak to víme.

Výroba párů hmota/antihmota (vlevo) z čisté energie je zcela vratná… reakce (vpravo), přičemž hmota/antihmota anihiluje zpět na čistou energii. Tento proces vzniku a anihilace, který se řídí E = mc^2, je jediným známým způsobem vzniku a zániku hmoty nebo antihmoty.

Dmitri Pogosyan / University of Alberta

Kdykoli a kdekoli ve vesmíru se setkají antihmota a hmota, dochází k fantastickému výbuchu energie v důsledku anihilace částic a antičástic. Na některých místech tuto anihilaci skutečně pozorujeme, ale pouze v okolí hyperenergetických zdrojů, které produkují hmotu a antihmotu ve stejném množství, například v okolí masivních černých děr. Když antihmota narazí na hmotu ve vesmíru, produkuje záření gama o velmi specifických frekvencích, které pak můžeme detekovat. Mezihvězdné a mezigalaktické prostředí je plné hmoty a naprostý nedostatek těchto paprsků gama je silným signálem, že nikde nelétá velké množství částic antihmoty, protože by se tato signatura hmoty/antihmoty projevila.

Ať už v kupách, galaxiích, v našem vlastním hvězdném okolí nebo v naší Sluneční soustavě, máme obrovské,… silné omezení podílu antihmoty ve vesmíru. Nemůže být pochyb: ve všem ve vesmíru převládá hmota.

Gary Steigman, 2008, via http://arxiv.org/abs/0808.1122

V mezihvězdném prostředí naší vlastní galaxie by střední doba života byla řádově asi 300 let, což je ve srovnání se stářím naší galaxie nepatrné! Toto omezení nám říká, že přinejmenším v rámci Mléčné dráhy je množství antihmoty, které se může smísit s námi pozorovanou hmotou, maximálně 1 díl na 1 000 000 000 000 000! Ve větších měřítkách – například galaxií a kup galaxií – jsou omezení méně přísná, ale stále velmi silná. Při pozorování od vzdálenosti pouhých několika milionů světelných let až po vzdálenost přes tři miliardy světelných let jsme pozorovali nedostatek rentgenového a gama záření, které bychom očekávali v důsledku anihilace hmoty a antihmoty. Viděli jsme, že i na velkých kosmologických škálách je více než 99,999 % toho, co existuje v našem vesmíru, rozhodně hmota (jako my), a ne antihmota.

Toto je reflexní mlhovina IC 2631, jak ji zobrazil 2,2m teleskop MPG/ESO. Ať už v rámci naší… vlastní galaxie nebo mezi galaxiemi, jednoduše neexistují žádné důkazy gama signatur, které by musely existovat, kdyby existovaly významné kapsy, hvězdy nebo galaxie vytvořené z antihmoty.

ESO

Takže nějakým způsobem, i když si nejsme zcela jisti jak, jsme museli v minulosti vesmíru vytvořit více hmoty než antihmoty. Což je ještě více matoucí díky tomu, že symetrie mezi hmotou a antihmotou je z hlediska částicové fyziky ještě zřetelnější, než by se mohlo zdát. Například:

  • pokaždé, když vytvoříme kvark, vytvoříme také antikvark,
  • pokaždé, když je zničen kvark, je zničen také antikvark,
  • pokaždé, když vytvoříme-nebo zničíme lepton, vytvoříme-nebo zničíme také antilepton ze stejné rodiny leptonů, a
  • při každé interakci, srážce nebo rozpadu kvarku nebo leptonu je celkový čistý počet kvarků a leptonů na konci reakce (kvarky minus antikvarky, leptony minus antileptony) stejný jako na začátku.

Jediný způsob, jak jsme kdy ve vesmíru vyrobili více (nebo méně) hmoty, bylo vyrobit také více (nebo méně) antihmoty ve stejném množství.

Částice a antičástice standardního modelu se řídí nejrůznějšími zákony zachování, ale tam…. existují drobné rozdíly mezi chováním některých párů částice/antičástice, které mohou být náznakem vzniku baryogeneze.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Ale víme, že to musí být možné; jedinou otázkou je, jak k tomu došlo. Koncem 60. let 20. století fyzik Andrej Sacharov určil tři podmínky nutné pro baryogenezi neboli vznik většího počtu baryonů (protonů a neutronů) než antibaryonů. Jsou následující:

  1. Vesmír musí být nerovnovážný systém.
  2. Musí vykazovat porušení C a CP.
  3. Musí existovat interakce porušující baryonové číslo.

První z nich je snadná, protože rozpínající se, chladnoucí vesmír s nestabilními částicemi (a/nebo antičásticemi) v něm je z definice mimo rovnováhu. Druhá je také snadná, protože symetrie „C“ (nahrazení částic antičásticemi) a symetrie „CP“ (nahrazení částic zrcadlově odraženými antičásticemi) jsou ve slabých interakcích porušeny.

Normální mezon se točí proti směru hodinových ručiček kolem svého severního pólu a pak se rozpadá s elektronem, který je… emitován podél směru severního pólu. Uplatnění C-symetrie nahradí částice antičásticemi, což znamená, že bychom měli mít antimezon rotující proti směru hodinových ručiček kolem svého severního pólu rozpad emitací pozitronu ve směru severu. Podobně P-symetrie převrátí to, co vidíme v zrcadle. Pokud se částice a antičástice nechovají podle C, P nebo CP symetrie úplně stejně, říká se, že je tato symetrie porušena. Zatím pouze slabá interakce porušuje některou ze tří.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Zůstává tedy otázka, jak porušit baryonové číslo. Ve standardním modelu částicové fyziky navzdory pozorovanému zachování baryonového čísla neexistuje explicitní zákon zachování ani pro toto číslo, ani pro leptonové číslo (kde lepton je částice jako elektron nebo neutrino). Místo toho se zachovává pouze rozdíl mezi baryony a leptony, tedy B – L. Takže za správných okolností můžete nejen vyrobit další protony, ale i elektrony, které k nim potřebujete.

Jaké jsou tyto okolnosti, je však stále záhadou. V raných fázích vesmíru plně očekáváme existenci stejného množství hmoty a antihmoty s velmi vysokými rychlostmi a energiemi.

Při vysokých teplotách dosažených ve velmi mladém vesmíru mohou být částice a fotony nejen… spontánně vytvářet, pokud mají dostatek energie, ale také antičástice a nestabilní částice, což vede k prvotní polévce částic a antičástic.

Brookhavenská národní laboratoř

Při rozpínání a ochlazování vesmíru se nestabilní částice, kdysi vytvořené ve velkém množství, rozpadnou. Pokud jsou splněny správné podmínky, mohou vést k přebytku hmoty nad antihmotou, a to i tam, kde původně žádná nebyla. Existují tři hlavní možnosti, jak tento přebytek hmoty nad antihmotou mohl vzniknout:

  • Nová fyzika na elektroslabé škále by mohla výrazně zvýšit množství C- a CP-porušení ve vesmíru, což by vedlo k asymetrii mezi hmotou a antihmotou. Sfaleronové interakce, které porušují B a L jednotlivě (ale zachovávají B – L), pak mohou generovat správné množství baryonů a leptonů. K tomu by mohlo dojít buď bez supersymetrie, nebo se supersymetrií, v závislosti na mechanismu.
  • Nová neutrinová fyzika při vysokých energiích, o níž máme obrovské indicie, by mohla vytvořit základní leptonovou asymetrii již na počátku: leptogenezi. Sfalerony, které zachovávají B – L, by pak tuto leptonovou asymetrii využily k vytvoření baryonové asymetrie.
  • Nebo baryogeneze na škále GUT, kde se objeví nová fyzika (a nové částice) na škále velkého sjednocení, kde se elektroslabá síla sjednocuje se silnou silou.

Všechny tyto scénáře mají některé prvky společné, takže si projděme ten poslední, jen jako příklad, abychom viděli, co se mohlo stát.

Pokud se myšlenka Velké sjednocené teorie vztahuje na… náš vesmír, budou uprostřed horkého moře ostatních částic v raném vesmíru existovat další supertěžké bosony, částice X a Y, spolu s jejich antičásticemi, zobrazené s příslušnými náboji.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Pokud je velké sjednocení pravdivé, pak by měly existovat nové, supertěžké částice zvané X a Y, které mají vlastnosti podobné baryonům i leptonům. Měly by také existovat jejich protějšky z antihmoty: anti-X a anti-Y, které mají opačná čísla B – L a opačné náboje, ale stejnou hmotnost a dobu života. Tyto páry částice – antičástice mohou vznikat ve velkém množství při dostatečně vysokých energiích a později se rozpadnou.

Takže váš vesmír jimi může být naplněn a pak se rozpadnou. Pokud však máte C- a CP-porušení, pak je možné, že existují drobné rozdíly mezi tím, jak se částice a antičástice (X/Y vs. anti-X/anti-Y) rozpadají.

Připustíme-li, aby se částice X a Y rozpadaly na uvedené kombinace kvarků a leptonů, jejich… antičásticové protějšky se budou rozpadat na příslušné kombinace antičástic. Pokud je však porušena CP, mohou být rozpadové cesty – nebo procento částic rozpadajících se jedním způsobem oproti druhému – odlišné pro částice X a Y ve srovnání s částicemi anti-X a anti-Y, což vede k čisté produkci baryonů oproti antibaryonům a leptonů oproti antileptonům.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Pokud má vaše částice X dvě cesty: rozpad na dva kvarky up nebo kvark anti-down a pozitron, pak musí mít anti-X dvě odpovídající cesty: dva kvarky anti-up nebo kvark down a elektron. Všimněte si, že X má v obou případech B – L dvě třetiny, zatímco anti-X má záporné dvě třetiny. Podobně je tomu u částic Y/anti-Y. Existuje však jeden důležitý rozdíl, který je povolen při porušení C a CP: X se může s větší pravděpodobností rozpadnout na dva kvarky up než anti-X na dva kvarky anti-up, zatímco anti-X se může s větší pravděpodobností rozpadnout na kvark down a elektron než X na kvark anti-down a pozitron.

Máte-li dostatek párů X/anti-X a Y/anti-Y a rozpadají-li se tímto povoleným způsobem, můžete snadno vytvořit přebytek baryonů nad antibaryony (a leptonů nad antileptony) tam, kde dříve žádný nebyl.

Pokud by se částice rozpadaly podle výše popsaného mechanismu, zůstal by nám po rozpadu všech nestabilních supertěžkých částic… přebytek kvarků nad antikvarky (a leptonů nad antileptony). Poté, co by přebytečné páry částice-antičástice anihilovaly pryč (odpovídající přerušovaným červeným čarám), zůstal by nám přebytek kvarků nahoru a dolů, z nichž se skládají protony a neutrony v kombinacích nahoru-dolů, respektive nahoru-dolů-dolů, a elektronů, které se počtem vyrovnají protonům.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

Jinými slovy, můžete začít se zcela symetrickým vesmírem, který se řídí všemi známými fyzikálními zákony a který spontánně vytváří hmotu a antihmotu pouze ve stejných a opačných párech, a nakonec skončit s přebytkem hmoty nad antihmotou. Máme více možných cest k úspěchu, ale je velmi pravděpodobné, že přírodě stačila jen jedna z nich, aby nám dala náš vesmír.

To, že existujeme a jsme tvořeni hmotou, je nesporné; otázka, proč náš vesmír obsahuje něco (hmotu), a ne nic (ze stejné směsi hmoty a antihmoty), musí mít odpověď. Pokroky v přesném testování elektroslabých sil, technologie urychlovačů a experimenty zkoumající částicovou fyziku mimo standardní model mohou v tomto století odhalit, jak se to přesně stalo. A až se tak stane, jedna z největších záhad celé existence bude mít konečně řešení.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.