Prečo existujeme? Toto je možno najhlbšia otázka, ktorá sa môže zdať úplne mimo sféry fyziky častíc. Náš nový experiment na veľkom hadrónovom urýchľovači v CERNe nás však priblížil k odpovedi. Aby sme pochopili, prečo existujeme, musíte najskôr ísť pred 13,8 miliardami rokov, v čase Veľkého tresku. Táto udalosť vytvorila rovnaké množstvo látky, z ktorej sme vyrobení, a antihmoty.
Predpokladá sa, že každá častica má partnera antihmoty, ktorý je takmer identický s ním, ale má opačný náboj. Keď sa častice a jej antičastice stretnú, zničia sa - zmiznú v záblesku svetla.
Kde je všetka antihmota?
Prečo je vesmír, ktorý vidíme, zložený výlučne z hmoty, je jednou z najväčších záhad modernej fyziky. Keby bolo kedysi rovnaké množstvo antihmoty, všetko vo vesmíre by sa zničilo. Zdá sa, že nedávno uverejnená štúdia našla nový zdroj asymetrie medzi hmotou a antihmotou.
Arthur Schuster bol prvý, kto hovoril o antihmote v roku 1896, potom v roku 1928 Paul Dirac dal teoretický základ av roku 1932 ho objavil Karl Anderson vo forme anti-elektrónov, ktoré sa nazývajú pozitróny. Pozitóny sa rodia v prírodných rádioaktívnych procesoch, ako je rozklad draslíka-40. To znamená, že pravidelný banán (obsahujúci draslík) emituje pozitrón každých 75 minút. Potom ničí elektróny v hmote a vytvára svetlo. Lekárske aplikácie ako PET skenery tiež produkujú antihmotu v podobnom procese.
Hlavnými stavebnými kameňmi látky, z ktorej sú atómy zložené, sú elementárne častice - kvarky a leptóny. Existuje šesť druhov kvarkov: hore, dole, podivné, očarené, pravdivé a krásne. Podobne existuje šesť leptonov: elektrón, mión, tau a tri typy neutrín. Existujú tiež antimateriálne kópie týchto dvanástich častíc, ktoré sa líšia len v ich náboji.
Častice antihmoty by v zásade mali byť dokonalým zrkadlovým obrazom ich bežných satelitov. Experimenty však ukazujú, že to tak nie je vždy. Zoberme si napríklad častice známe ako mezóny, ktoré sa skladajú z jedného kvarku a jedného antikvaru. Neutrálne mezóny majú úžasnú vlastnosť: môžu sa spontánne zmeniť na svoje anti-mezóny a naopak. V tomto procese sa z kvarku zmení na antikvark alebo z antikvark na kvark. Pokusy však ukázali, že k tomu môže dôjsť častejšie v jednom smere ako v inom - v dôsledku čoho je viac času ako antihmota.
Propagačné video:
Tretí je magický
Medzi časticami obsahujúcimi kvarky sa našli asymetrie iba v podivných a krásnych kvarkoch - a tieto objavy sa stali mimoriadne dôležitými. Úplne prvé pozorovanie asymetrie s podivnými časticami v roku 1964 umožnilo teoretikom predpovedať existenciu šiestich kvarkov - v čase, keď bolo známe, že existujú iba tri. Objav asymetrie v krásnych časticiach v roku 2001 bol konečným potvrdením mechanizmu, ktorý viedol k obrazu šiestich kvarkov. Oba objavy získali Nobelovu cenu.
Podivné a krásne kvarky nesú negatívne elektrické náboje. Jediným kladne nabitým kvarkom, ktorý by teoreticky mal byť schopný vytvárať častice, ktoré môžu vykazovať asymetriu hmoty a antihmoty, je očarený. Teória naznačuje, že to robí, jeho účinok by mal byť zanedbateľný a ťažko sa dá nájsť.
Experiment LHCb na veľkom hadrónovom urýchľovači bol však schopný pozorovať takúto asymetriu v časticiach nazývaných D mezóny, ktoré sa skladajú z očarených kvarkov - prvýkrát. Toto je umožnené bezprecedentným množstvom očarených častíc produkovaných priamo pri zrážkach na LHC. Výsledok ukazuje, že pravdepodobnosť, že ide o štatistické kolísanie, je 50 na miliardu.
Ak sa táto asymetria nezrodí z toho istého mechanizmu, ktorý vedie k asymetrii podivných a krásnych kvarkov, existuje priestor pre nové zdroje asymetrie antihmoty hmoty, ktorá môže prispieť k všeobecnej asymetrii tých vo vesmíre. A to je dôležité, pretože niekoľko známych prípadov asymetrie nedokáže vysvetliť, prečo je vo vesmíre toľko hmoty. Samotný objav kvarku pôvabu nebude stačiť na vyriešenie tohto problému, ale je to dôležitý kúsok skladačky pri porozumení základných interakcií častíc.
Ďalšie kroky
Po tomto objave bude nasledovať nárast počtu teoretických diel, ktoré pomáhajú pri interpretácii výsledku. A čo je dôležitejšie, načrtne ďalšie testy na prehĺbenie nášho chápania nášho objavu - a niektoré z týchto testov už prebiehajú.
V nadchádzajúcej dekáde zvýšený experiment LHCb zvýši citlivosť takýchto meraní. Dopĺňa ho experiment Belle II v Japonsku, ktorý sa len začína.
Antihmota je tiež srdcom mnohých ďalších experimentov. Celé antiatomy sa vyrábajú v CERN Antiproton Moderator a poskytujú rad vysoko presných meracích experimentov. Experiment AMS-2 na palube Medzinárodnej vesmírnej stanice hľadá vesmírnu antihmotu. Otázka súčasných a budúcich experimentov sa bude venovať otázke, či medzi neutrínami existuje asymetria záležitostí antihmoty.
Aj keď stále nemôžeme úplne odhaliť záhadu asymetrie hmoty a antihmoty, náš najnovší objav otvoril dvere do éry presných meraní, ktoré môžu odhaliť ešte neznáme javy. Existuje každý dôvod domnievať sa, že jedného dňa budú fyzici schopní vysvetliť, prečo sme tu vôbec.
Ilja Khel