Rozhovor s českým fyzikem z CERNu o tom, proč po Velkém třesku zvítězila hmota nad antihmotou

Kosmologické modely předpokládají, že se při Velkém třesku vytvořilo stejné množství hmoty i antihmoty. Pokud se tak ovšem skutečně stalo, proč po následné anihilaci malé množství látky zůstalo, místo aby všechny částice a antičástice zanikly a zanechaly po sobě pouze záření?

Pokud by veškerá hmota a antihmota při anihilaci zanikla, začal by vůbec vesmír existovat?

Možná by existoval, ale určitě ne v podobě, v jaké ho známe dnes. Šlo by o prostor vyplněný pouze zářením, pravděpodobně velmi plochý čili nezakřivený, homogenní a chladný. Příroda má ráda symetrii, ale právě v důsledku jejího narušení nezanikla v rané fázi existence kosmu všechna vytvořená hmota a antihmota. Představte si, jak velké asi muselo být její původní množství, když dnes na nebi vidíme jen malý zbyteček, který po anihilaci zůstal…

Když hmota potká antihmotu

Hmotu pozorujeme všude kolem sebe. Jaké konkrétní částice ji tvoří?

V prvním přiblížení je hmota skutečně vše, co vidíme okolo. Utvářejí ji atomy, které se skládají z jádra a z elektronového obalu. Jádro pak tvoří protony a neutrony. Při současném stavu poznání považujeme elektron za dále nedělitelný, jde tedy o elementární částici.

Naopak protony a neutrony sestávají z elementárních částic zvaných kvarky, které však za normálních podmínek nemohou existovat samostatně. Pohromadě drží díky jiným částicím zvaným gluony – z anglického glue čili lepidlo – a proto nemůžeme pozorovat jeden jediný samotný kvark. Na velkých urychlovačích lze kvarky na krátký okamžik uvolnit, načež chvíli „plavou“ v jakési kvark-gluonové polévce, ale samostatně existující kvark se ještě nalézt nepodařilo.

Jak by se dala definovat antihmota?

Jde o „zrcadlový“ protějšek běžné hmoty. Skládá se z antičástic, které mají opačné vlastnosti než částice hmoty: Například pozitron má kladný náboj, zatímco elektron záporný. I kvarky mají své antičástice neboli antikvarky a z nich můžeme „složit“ třeba antiproton.

Co se stane, pokud se setká částice a antičástice, tedy hmota s antihmotou?

Při setkání hmoty a antihmoty dochází k takzvané anihilaci, kdy obě zaniknou a uvolní energii, nejčastěji ve formě dvou a více fotonů. Pokud je dostupná energie vyšší, mohou vzniknout i jiné hmotné částice. Zde se krásně uplatní Einsteinův slavný vztah E = mc². Z deseti kilogramů uhlí a deseti kilogramů „antiuhlí“ bychom anihilací získali energii pro celý svět na jeden den – čistě teoreticky (úsměv).

Velký třesk v laboratoři?

Vaši kolegové z experimentu LHCb v organizaci CERN oznámili první pozorování rozdílného chování baryonové hmoty a antihmoty. Co nového jste se dozvěděli?

Na tento okamžik jsme čekali celých šedesát let. Tak dlouho už totiž víme, že se popsaným způsobem chovají jiné částice, takzvané mezony. A baryony jsou pro nás možná ještě důležitější, protože mezi ně patří i všudypřítomné protony coby základní stavební kameny naší hmoty.

Mohl byste nám experiment LHCb víc přiblížit?

LHCb je jedním z detektorů na urychlovači částic LHC v CERNu a umožňuje zkoumat právě rozdíly mezi hmotou a antihmotou. Jde o velké a složité zařízení, které dokáže měřit rozpady – nebo lépe „přeměny“ – částic hmoty a antihmoty. I malé odchylky v jejich chování mohou přispět k vysvětlení, proč ve vesmíru převažuje právě hmota.

V LHC se vědci snaží vytvořit mimo jiné podmínky shodné s těmi, které zřejmě panovaly okamžik po Velkém třesku. Jak uvedené experimenty probíhají?

Tyto experimenty a získaná data umožňují fyzikům studovat zmíněnou kvark-gluonovou „polévku“, správně nazývanou kvark-gluonové plazma, která nejspíš po Velkém třesku existovala. Za obrovských hustot a teplot se kvarky a gluony pohybovaly volně, což je pro fyziky ohromně zajímavý stav.

Nyní jej dokážeme vytvořit při srážkách urychlených jader olova a jiných těžkých prvků. Hmota při nich dosáhne zhruba třistatisíckrát vyšší teploty, než jaká panuje ve středu Slunce, ale samozřejmě v takovém stavu vydrží jen velmi krátce.

Ve které části urychlovače LHC vědci podmínky po Velkém třesku zkoumají?

Na LHC máme experiment ALICE postavený přímo proto, aby tento stav dokázal zkoumat. Ostatní experimenty LHC to neumějí tak dobře, i když k výzkumu rovněž přispívají. Mimochodem, někdy se popularizátoři vědy uchylují k popisu, že děláme „Velký třesk v laboratoři“, což je pochopitelně nesmysl. Jde opravdu jen o podmínky těsně po Velkém třesku.

Anihilace v praxi

Hovořil jste o důležitém objevu na experimentu LHCb. Co přesně uvedený objev přinesl?

Zásadním způsobem rozšiřuje naše chápání rozdílů mezi hmotou a antihmotou a otevírá vědcům nové cesty k pochopení, proč při vzniku vesmíru převládla právě hmota. Zmiňovaný vědecký výsledek byl nedávno s velkou slávou představen na konferenci Rencontres de Moriond v Itálii. Díky podobným objevům se daří postupně odhalovat historii antihmoty.

A ta se začala psát jak a kdy?

V roce 1928 přišel Paul Dirac s rovnicí, která měla pro energii částice dvě řešení – kladné a záporné. Dirac to interpretoval tak, že pro každou částici existuje antičástice. Roku 1931 publikoval článek, v němž přímo předpověděl existenci pozitronu neboli antielektronu.

Carl Anderson pak nezávisle na jeho teorii studoval kosmické záření pomocí mlžné komory s magnetickým polem. V roce 1932 zachytil fotografii stopy částice, která měla stejnou hmotnost jako elektron, ale v magnetickém poli se její dráha zakřivila na opačnou stranu – měla tedy opačný náboj. Ostatní vědci zpočátku nebrali Diraca s Andersonem moc vážně, ale o rok později jejich výsledky potvrdili britský fyzik a nositel Nobelovy cena za fyziku Patrick Maynard Stuart Blackett a Ital Giuseppe Occhialini. Dirac získal Nobelovu cenu ještě téhož roku, Anderson o tři roky později…

K výsledkům uvedeného výzkumu patří mimo jiné aplikace v lékařství při pozitronové emisní tomografii…

Ano, pozitronová emisní tomografie neboli PET byla poprvé použita v roce 1976, ale běžně se začala uplatňovat až od devadesátých let, tedy šest dekád po objevu pozitronu. Jedná se o zobrazovací metodu v nukleární medicíně: Její princip spočívá v určení místa vzniku fotonů gama, k němuž v těle dochází, když navzájem anihilují pozitrony uvolněné podanou radioaktivní látkou a elektrony.

Mohl byste nám princip pozitronové emisní tomografie ještě víc přiblížit?

Ze zákonů zachování energie a hybnosti plyne, že při anihilaci vzniknou dva fotony, které letí přesně opačnými směry. Výjimečně jich může vzniknout víc, ale tyto případy se při metodě PET ignorují.

Oba fotony mohou zachytit takzvané koincidenční detektory a tím je dáno, že místo anihilace leží na přímce mezi nimi. Poslední souřadnice – poloha na této přímce – se určí z případného drobného rozdílu v časech příletu. Počítač pak vytvoří trojrozměrnou rekonstrukci aktivity zmíněné radioaktivní látky v těle.

PET tedy nezobrazuje ani tak anatomickou strukturu, jako spíš ochotu konkrétní tkáně vychytávat příslušné radiofarmakum. V dnešní době se metoda kombinuje s výpočetní tomografií či magnetickou rezonancí, kvůli přesnější anatomické lokalizaci metabolických změn.

Proč kosmos nezanikl?

Ve výzkumu chování hmoty a antihmoty figuruje velmi důležitý pojem, a sice CP-symetrie. Co se pod ním skrývá?

CP-symetrie znamená, že by měly fyzikální zákony platit stejně pro částice v našem světě i pro antičástice v zrcadlovém vesmíru. Ten samozřejmě nemáme, ale můžeme tady na Zemi studovat zrcadlové procesy. Narušení CP-symetrie pak znamená, že realita netvoří dokonalé zrcadlo: Některé procesy například probíhají častěji u hmoty než u antihmoty.

Co vědcům narušení této symetrie naznačuje?

Narušení CP-symetrie tvoří jednu z nutných podmínek pro převahu hmoty nad antihmotou v našem vesmíru. Její narušení je dobře prozkoumané pro částice zvané mezony, pro které se jej povedlo pozorovat již před šedesáti lety, ale až nyní se ho podařilo změřit pro baryony – tedy pro částice podobné našim protonům. Aktuální teorie sice narušení CP-symetrie zahrnují, ale bohužel s příliš malou hodnotou na to, aby vysvětlila dominanci hmoty ve vesmíru.

Co v daném kontextu znamená zmiňovaný nejnovější objev na experimentu LHCb?

Otevírá cestu k lepšímu pochopení, proč po Velkém třesku nezanikla veškerá hmota anihilací s antihmotou. A v důsledku může v budoucnu přispět k zásadním změnám v našem chápání vesmíru i k praktickým inovacím. Jde o další, a to důležitý kousek skládačky pro teoretické i experimentální studie povahy narušení CP-symetrie, které nám mohou ukázat, kde za hranicemi takzvaného standardního modelu hledat novou fyziku.

Vesmír je úžasné místo

Zabýváte se interakcí částic a antičástic a nahlížíte do zajímavé vědecké oblasti, která by mohla pomoct objasnit vznik vesmíru. Zajímal jste se o fyziku a kosmos od malička?

O vědu a techniku jsem se zajímal od dětství, a to jednak díky svým rodičům, ale také kvůli seriálu MacGyver. Velmi se mi jako malému líbilo – a vlastně se mi to stále líbí – jak uměl vyřešit každý problém, protože chápal, jak věci fungují. A v jednom díle dokonce potvrdili, že studoval fyziku!

Jak váš zájem o fyziku pokračoval? Patřila k vašim oblíbeným předmětům na střední škole?

Na osmiletém všeobecném gymnáziu mě velice bavila a zároveň mi tak nějak sama od sebe šla, takže další cesta byla jasná. Určitě jsem měl i štěstí na učitele a na vysokou školu jsem nastoupil dobře připravený. Teprve tam jsem ovšem opravdu pochopil, o čem to je, a vybral jsem si fyziku částic. Mou hlavní motivaci tvoří po celou dobu určitě touha po poznání a tu mají snad všichni vědci základního výzkumu stejnou.

Co pro vás osobně znamená vesmír?

Jde o úžasné místo, kde jsou možné i „nemožné“ věci. Napadne mě to vždycky, když vidím udivené výrazy svých dětí nebo obecně laiků, kterým vysvětluju, co všechno je podle současných teorií možné, či dokonce velmi pravděpodobné. Rád vědu popularizuju a vesmír nabízí plno skvělých příkladů. Zůstávám nohama na zemi, ale s oblibou se dívám na noční oblohu, protože je prostě fascinující – a pak se chvíli toulám vesmírem, jak ho „znám“ z povídek a románů Arthura C. Clarka.

Hledáme lepší teorii

Co byste si přál při výzkumu na poli hmoty a antihmoty zjistit?

Můžeme začít třeba tím, že velmi dobře změříme proces, který má symetrii zachovávat – a ono ejhle, nebude to pravda, což nás povede zas někam dál. Tak nějak intuitivně věřím, že vesmír funguje podle krásných a jednoduchých zákonů a že je chyba jen v naší omezenosti, že to nevidíme.

Když to vztáhnu ke svému oboru, všechny známé částice a antičástice, jejich chování a interakce popisuje standardní model. Navzdory veškerému jeho úspěchu a prediktivní síle, například včetně předpovědi Higgsova bosonu, se však nejedná o dokonalou teorii.

Jaké nedokonalosti u standardního modelu fyziky elementárních částic vnímáte?

Mimo jiné nepopisuje gravitaci, nedokáže vysvětlit temnou hmotu a temnou energii, a i když narušení CP-symetrie předpovídá, činí tak v mnohem menším rozsahu, než je zapotřebí pro objasnění pozorované asymetrie ve vesmíru. Navíc má hodně volných parametrů, je komplikovaný.

Kvůli těmto a dalším nedostatkům fyzikové předpokládají, že bude časem rozšířen nebo ho nahradí lepší teorie, stejně jako nakonec newtonovskou mechaniku nahradila Einsteinova obecná teorie relativity. A já doufám, že tato teorie už bude „krásná“. Nebo ta další…