Vědci si libují ve zkoumání záhad a čím větší záhada, tím větší nadšení. Ve vědě existuje mnoho obrovských nezodpovězených otázek, ale když jde do tuhého, je těžké překonat otázku „Proč existuje něco, a ne nic?“
Tato otázka se může zdát jako filozofická, ale je to otázka, která je velmi dobře přístupná vědeckému zkoumání. Řečeno trochu konkrétněji: „Proč je vesmír tvořen takovými druhy hmoty, které umožňují lidský život, abychom si tuto otázku vůbec mohli položit?“. Vědci provádějící výzkum v Japonsku minulý měsíc oznámili měření, které se přímo týká této nejzajímavější otázky. Zdá se, že jejich měření nesouhlasí s nejjednoduššími očekáváními současné teorie a mohlo by dobře směřovat k odpovědi na tuto nadčasovou otázku.
Jejich měření zřejmě říká, že pro určitý soubor subatomárních částic se hmota a antihmota chovají odlišně.
Hmota v. antihmota
Pomocí urychlovače J-PARC, který se nachází v japonském městě Tokai, vědci vystřelili paprsek přízračných subatomárních částic zvaných neutrina a jejich protějšky z antihmoty (antineutrina) přes Zemi do experimentu Super Kamiokande, který se nachází v Kamioce, rovněž v Japonsku. Tento experiment nazvaný T2K (Tokai to Kamiokande) má za cíl zjistit, proč je náš vesmír tvořen hmotou. Zvláštní chování, které vykazují neutrina, nazývané oscilace neutrin, by mohlo vnést trochu světla do tohoto velmi zapeklitého problému.
Ptát se, proč je vesmír tvořen hmotou, může znít jako zvláštní otázka, ale existuje velmi dobrý důvod, proč to vědce překvapuje. Je to proto, že kromě toho, že vědci vědí o existenci hmoty, znají také antihmotu.
V roce 1928 navrhl britský fyzik Paul Dirac existenci antihmoty – antagonistického sourozence hmoty. Pokud spojíme stejné množství hmoty a antihmoty, dojde k jejich vzájemné anihilaci a uvolnění obrovského množství energie. A protože fyzikální principy obvykle fungují stejně dobře i obráceně, pokud máte ohromné množství energie, může se přeměnit na přesně stejné množství hmoty a antihmoty. Antihmotu objevil v roce 1932 Američan Carl Anderson a vědci měli téměř sto let na to, aby studovali její vlastnosti.
Ta věta „na přesně stejné množství“ je však jádrem hádanky. V krátkých okamžicích bezprostředně po velkém třesku byl vesmír plný energie. Jak se rozpínal a ochlazoval, měla se tato energie přeměnit na stejné díly subatomárních částic hmoty a antihmoty, které by dnes měly být pozorovatelné. A přesto se náš vesmír skládá v podstatě výhradně z hmoty. Jak je to možné?
Počítáním počtu atomů ve vesmíru a jejich porovnáním s množstvím pozorované energie vědci zjistili, že „přesně stejně“ není úplně správně. Když byl vesmír starý asi desetinu biliontiny sekundy, přírodní zákony se nějak nepatrně vychýlily směrem k hmotě. Na každých 3 000 000 000 částic antihmoty připadalo 3 000 000 001 částic hmoty. Tyto 3 miliardy částic hmoty a 3 miliardy částic antihmoty se spojily – a anihilovaly zpět na energii, takže mírný přebytek hmoty tvořil vesmír, který vidíme dnes.
Od chvíle, kdy byla tato hádanka téměř před sto lety pochopena, vědci zkoumají hmotu a antihmotu, aby zjistili, zda by mohli najít chování subatomárních částic, které by vysvětlilo přebytek hmoty. Jsou přesvědčeni, že hmota a antihmota se tvoří ve stejném množství, ale také pozorovali, že třída subatomárních částic zvaných kvarky vykazuje chování, které mírně zvýhodňuje hmotu před antihmotou. Toto konkrétní měření bylo jemné a týkalo se třídy částic zvaných mezony K, které se mohou přeměnit z hmoty na antihmotu a zpět. Existuje však nepatrný rozdíl v přeměně hmoty na antihmotu ve srovnání s přeměnou opačnou. Tento jev byl neočekávaný a jeho objev vedl k udělení Nobelovy ceny v roce 1980, ale jeho velikost nestačila k vysvětlení, proč v našem vesmíru převládá hmota.
Přízračné paprsky
Vědci proto obrátili svou pozornost k neutrinům, aby zjistili, zda jejich chování může vysvětlit přebytek hmoty. Neutrina jsou duchové subatomárního světa. Interagují pouze prostřednictvím slabé jaderné síly a mohou procházet hmotou, aniž by téměř vůbec interagovala. Pro představu, neutrina nejčastěji vznikají při jaderných reakcích a největším jaderným reaktorem je Slunce. Abychom se ochránili před polovinou slunečních neutrin, potřebovali bychom hmotu pevného olova o hloubce asi 5 světelných let. Neutrina spolu opravdu příliš neinteragují.
Mezi lety 1998 a 2001 série experimentů – jeden s využitím detektoru Super Kamiokande a druhý s využitím detektoru SNO v Sudbury v Ontariu – definitivně prokázala, že neutrina vykazují i další překvapivé chování. Mění svou identitu.
Fyzikové znají tři různé druhy neutrin, z nichž každý je spojen s jedinečným subatomárním sourozencem, nazývaným elektrony, miony a tausy. Elektrony jsou tím, co způsobuje elektřinu, a částice mion a tau jsou velmi podobné elektronům, ale jsou těžší a nestabilní.
Tři druhy neutrin, nazývané elektronové neutrino, mionové neutrino a tau neutrino, se mohou „proměnit“ v jiné druhy neutrin a zpět. Toto chování se nazývá oscilace neutrin.
Neutrinová oscilace je jedinečný kvantový jev, ale je to zhruba analogické tomu, jako když začnete s miskou vanilkové zmrzliny a poté, co se vrátíte a najdete lžičku, zjistíte, že miska je napůl vanilková a napůl čokoládová. Neutrina mění svou identitu z úplně jednoho typu na směs typů, na úplně jiný typ a pak zpět na původní typ.
Oscilace antineutrin
Neutrina jsou částice hmoty, ale existují také neutrina antihmoty, tzv. antineutrina. A to vede k velmi důležité otázce. Neutrina oscilují, ale oscilují také antineutrina a oscilují přesně stejným způsobem jako neutrina? Odpověď na první otázku zní ano, zatímco odpověď na druhou neznáme.
Uvažujme o tom trochu podrobněji, ale zjednodušeně: Předpokládejme, že existují pouze dva typy neutrin – mionové a elektronové. Předpokládejme dále, že byste měli svazek neutrin čistě mionového typu. Neutrina oscilují určitou rychlostí, a protože se pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla, oscilují v závislosti na vzdálenosti od místa, kde vznikla. Svazek čistě mionových neutrin tedy bude v určité vzdálenosti vypadat jako směs mionových a elektronových typů, v jiné vzdálenosti jako čistě elektronový typ a pak se vrátí zpět k čistě mionovým. Neutrina antihmoty dělají totéž.
Jestliže však neutrina hmoty a antihmoty oscilují mírně odlišnou rychlostí, dalo by se očekávat, že pokud se nacházíte v pevné vzdálenosti od místa, kde byl paprsek čistých mionových neutrin nebo mionových antineutrin vytvořen, pak v případě neutrin uvidíte jednu směs mionových a elektronových neutrin, ale v případě neutrin antihmoty uvidíte jinou směs mionových a elektronových neutrin antihmoty. Skutečná situace je komplikovaná tím, že existují tři druhy neutrin a oscilace závisí na energii svazku, ale toto jsou hlavní myšlenky.
Pozorování různých frekvencí oscilací neutrin a antineutrin by bylo důležitým krokem k pochopení skutečnosti, že vesmír je tvořen hmotou. Není to celý příběh, protože musí platit i další nové jevy, ale rozdíl mezi hmotou a antihmotou neutrin je nutný k vysvětlení, proč je ve vesmíru více hmoty.
V současné převládající teorii popisující interakce neutrin existuje proměnná, která je citlivá na možnost, že neutrina a antineutrina oscilují odlišně. Pokud je tato proměnná nulová, oscilují oba typy částic stejnou rychlostí; pokud se tato proměnná liší od nuly, oscilují oba typy částic odlišně.
Když T2K tuto veličinu měřili, zjistili, že je v rozporu s hypotézou, že neutrina a antineutrina oscilují stejně. Trochu techničtěji určili rozsah možných hodnot této veličiny. Existuje 95procentní šance, že skutečná hodnota této proměnné je v tomto rozmezí, a pouze 5procentní šance, že skutečná proměnná je mimo toto rozmezí. Hypotéza „žádný rozdíl“ je mimo tento 95procentní rozsah.
Zjednodušeně řečeno, současná měření naznačují, že neutrina a neutrina antihmoty oscilují odlišně, ačkoli jistota nedosahuje takové úrovně, aby bylo možné vyslovit definitivní tvrzení. Kritici totiž poukazují na to, že na měření s touto úrovní statistické významnosti je třeba pohlížet velmi, velmi skepticky. Rozhodně se však jedná o nesmírně provokativní počáteční výsledek a světová vědecká komunita má obrovský zájem na tom, aby se studie zlepšily a zpřesnily.
Experiment T2K bude pokračovat v zaznamenávání dalších dat v naději na definitivní měření, ale není to jediná hra ve městě. Ve Fermilabu, který se nachází nedaleko Chicaga, vystřeluje podobný experiment s názvem NOVA neutrina i neutrina antihmoty do severní Minnesoty v naději, že T2K předčí. A pokud jde o budoucnost, Fermilab usilovně pracuje na svém stěžejním experimentu nazvaném DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), který bude mít pro studium tohoto důležitého jevu mnohem lepší možnosti.
Ačkoli výsledek T2K není definitivní a opatrnost je na místě, je rozhodně lákavý. Vzhledem k rozsáhlosti otázky, proč se zdá, že náš vesmír nemá žádnou znatelnou antihmotu, bude světová vědecká komunita dychtivě očekávat další aktualizace.
Původně publikováno na Live Science.
Don Lincoln je fyzikální výzkumník ve Fermilabu. Je autorem knihy „The Large Hadron Collider: (Johns Hopkins University Press, 2014) a vytváří sérii vědeckých vzdělávacích videí: „The Extraordinary Story of Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind“. Sledujte ho na Facebooku. Názory vyjádřené v tomto komentáři jsou jeho.
Don Lincoln přispěl tímto článkem do časopisu Live Science’s Expert Voices:
Aktuální zprávy
.