Proč existujeme? Toto je možná nejhlubší otázka, která se může zdát úplně mimo rozsah částicové fyziky. Náš nový experiment na velkém hadronovém srážce v CERNu nám však přiblížil odpověď. Abychom pochopili, proč existujeme, musíte nejprve jít před 13,8 miliardami let, v době Velkého třesku. Tato událost vytvořila stejné množství látky, ze které jsme vyrobeni, a antihmoty.
Má se za to, že každá částice má partnera antihmoty, který je téměř totožný s ním, ale má opačný náboj. Když se částice a její antičástice setkají, zničí - zmizí v záblesku světla.
Kde je antihmota?
Proč vesmír, který vidíme, je složen výhradně z hmoty, je jednou z největších záhad moderní fyziky. Kdyby existovalo stejné množství antihmoty, všechno ve vesmíru by se zničilo. Zdá se tedy, že nedávno zveřejněná studie našla nový zdroj asymetrie mezi hmotou a antihmotou.
Arthur Schuster byl první mluvit o antihmotě v 1896, pak v roce 1928 Paul Dirac dal to teoretický základ, a v 1932 Karl Anderson objevil to ve formě anti-elektrony, který být nazýván pozitrony. Pozitrony se rodí v přírodních radioaktivních procesech, jako je rozklad draslíku-40. To znamená, že pravidelný banán (obsahující draslík) emituje pozitron každých 75 minut. Potom ničí elektrony v hmotě a vytváří světlo. Lékařské aplikace jako PET skenery také produkují antihmotu v podobném procesu.
Hlavními stavebními kameny látky, z níž jsou atomy složeny, jsou elementární částice - kvarky a leptony. Existuje šest druhů kvarků: nahoru, dolů, podivné, okouzlující, pravdivé a krásné. Podobně existuje šest leptonů: elektron, mion, tau a tři typy neutrin. Existují také antimateriální kopie těchto dvanácti částic, které se liší pouze jejich nábojem.
Částice antihmoty by v zásadě měly být dokonalým zrcadlovým obrazem jejich běžných satelitů. Experimenty však ukazují, že tomu tak není vždy. Vezměte například částice známé jako mesony, které jsou tvořeny jedním kvarkem a jedním antikvarkem. Neutrální mesony mají úžasnou vlastnost: mohou se spontánně proměnit ve svůj anti-meson a naopak. V tomto procesu se kvark přemění na antikvark nebo na antikvark na kvark. Experimenty však ukázaly, že k tomu může dojít častěji v jednom směru než v jiném - v důsledku toho je více času než antihmota.
Propagační video:
Třetí čas je magický
Mezi částicemi obsahujícími kvarky byly takové asymetrie nalezeny pouze v podivných a krásných kvarcích - a tyto objevy se staly nesmírně důležité. Úplně první pozorování asymetrie s podivnými částicemi v roce 1964 umožnilo teoretikům předpovídat existenci šesti kvarků - v době, kdy bylo známo, že existují pouze tři. Objev asymetrie v krásných částicích v roce 2001 byl konečným potvrzením mechanismu, který vedl k obrazu šesti kvarků. Oba objevy získali Nobelovy ceny.
Podivné a krásné kvarky nesou negativní elektrické náboje. Jediným pozitivně nabitým kvarkem, který by teoreticky měl být schopen tvořit částice, které mohou vykazovat asymetrii hmoty a antihmoty, je kouzelný. Teorie naznačuje, že to dělá, jeho účinek by měl být zanedbatelný a obtížné najít.
Experiment LHCb na velkém hadronském srážce byl však schopen pozorovat takovou asymetrii v částicích zvaných D mesony, které se skládají z kouzelných kvarků - poprvé. To je umožněno bezprecedentním množstvím očarovaných částic produkovaných přímo při srážkách na LHC. Výsledek ukazuje, že pravděpodobnost, že se jedná o statistickou fluktuaci, je 50 na miliardu.
Pokud se tato asymetrie nenarodí ze stejného mechanismu, který vede k asymetrii podivných a krásných kvarků, existuje prostor pro nové zdroje asymetrie látek antihmoty, které mohou přidat k obecné asymetrii těch ve vesmíru. A to je důležité, protože několik známých případů asymetrie nedokáže vysvětlit, proč je ve vesmíru tolik hmoty. Samotný objev půvabných kvarků nebude stačit k vyřešení tohoto problému, ale je to důležitý kousek skládačky při porozumění základních interakcí částic.
Další kroky
Po tomto objevu bude následovat nárůst počtu teoretických prací, které pomáhají při interpretaci výsledku. A co je důležitější, nastíní další testy, které prohloubí naše porozumění našemu objevu - a některé z těchto testů již probíhají.
V nadcházející dekádě zvýší experiment LHCb citlivost těchto měření. Bude doplněn experimentem Belle II v Japonsku, který se teprve začíná.
Antihmota je také srdcem řady dalších experimentů. Celé antiatomy se vyrábějí v CERN Antiproton Moderator a poskytují řadu vysoce přesných měřících experimentů. Experiment AMS-2 na palubě Mezinárodní kosmické stanice hledá vesmírnou antihmotu. Otázka současných a budoucích experimentů bude věnována otázce, zda existuje neutrinová asymetrie mezi hmotou a antihmotou.
I když stále nemůžeme úplně odhalit tajemství asymetrie hmoty a antihmoty, náš nejnovější objev otevřel dveře do doby přesných měření, která mohou odhalit dosud neznámé jevy. Existuje každý důvod se domnívat, že jednoho dne budou fyzici schopni vysvětlit, proč jsme tady vůbec.
Ilya Khel