18. júla 2024

Vo fyzike je (ešte stále) všetko po starom

Antihmota robí v gravitačnom poli presne to isté, čo obyčajná hmota. Zistili ľudia v CERNe. Poviete si: Veľká veda, však čo iné by mala robiť?! Nuž, mohla robiť takmer čokoľvek. A vlastne by sme boli radšej, keby aj čosi iné robila. Ale pekne poporiadku.

Antičastice boli objavené v prvej polovici dvadsiateho storočia. Najskôr na papieri, ako riešenia rovníc pre obyčajné častice, ktoré si nikto neobjednal. A neskôr aj experimentálne. Dnes sú pevnou súčasťou nášho porozumenia svetu, ktorý na úrovni týchto základných stavebných kúskov hmoty popisuje teória s ohromne neoriginálnym názvom: Štandardný model elementárnych častíc. V ňom má každý druh častíc – napríklad elektróny alebo kvarky, z ktorých sa skladajú protóny a neutróny –  svoju dvojičku. Tá má opačný elektrický náboj ale inak je identická. Keď sa častica stretne so svojou antičasticou, zmiznú v procese, ktorému hovoríme anihilácia, a zostanú po nich len dva fotóny.

Preto okolo seba vidíme iba obyčajné častice a obyčajnú hmotu, ktorá sa z nich skladá. Aj keď sa stane, že v nejakom subatomárnom procese niekde antičastice vzniknú, veľmi rýchlo si nájdu kohosi s kým anihilovať a zostane po nich iba elektromagnetický závan. To hovorí štandardný model. Ten ale nijak nepopisuje gravitáciu a tak tu je šanca, že keď vstúpi do hry gravitačné pôsobenie medzi časticami hmoty a antihmoty, veci už budú fungovať inak. Aj keď vo všeobecnej teórii relativity, našom najlepšom popise gravitácie, by sa predsa len mali častice a antičastice priťahovať rovnako, stále tu je možnosť, že sa už rozprávame o režime, v ktorom táto teória neplatí. Ako ale asi tušíte podľa názvu článku a prvého odstavca, táto možnosť tu iba bola.

V experimente ALPHA-g v švajčiarskom CERNe študovala skupina vedcov a vedkýň správanie antihmoty v gravitačnom poli. Zobrali vždy stovku atómov antivodíka – zloženého z antiprotónu a pozitrónu, ako sa hovorí antičastici elektrónu – a uzavreli ich do akejsi “nádoby” z magnetického poľa. Asi si viete predstaviť, čo by sa stalo, keby sa ich snažili udržať v obyčajnej nádobe. Do tejto nádoby potom aplikovali ďalšie magnetické pole vo zvislom smere, otvorili horný a dolný koniec a sledovali, koľko atómov ktorým z nich unikne. Napríklad v prípade, keď by aplikované magnetické pole presne vykompenzovalo gravitačné pole, očakávali by sme 50 častíc vrchom a 50 spodom. Tento experiment opakovali veľakrát pre rôzne polia a analýzou dát prišli na to, že antivodík robí v rámci presnosti ich merania to isté, čo obyčajná hmota. A čo je ešte dôležitejšie, celkom určite sa nespráva v gravitačnom poli výrazne inak.

No a prečo je to zaujímavá vec na študovanie a prečo sme vlastne z tohoto výsledku tak trochu sklamaní? Lebo antihmota je na náš vkus až príliš rovnaká ako hmota. Teda aspoň v našich modeloch. Sú tam nejaké rozdiely, ktoré sú principiálne dôležité, ale pre to o čom ideme rozprávať úplne kozmetické. V skutočnom svete je medzi hmotou a antihmotou veľký rozdiel. Jedna z nich vypĺňa vesmír, tvorí galaxie, planéty a učebnice teoretickej fyziky, druhá sa občas nesmelo objaví na malé zlomky sekundy a potom sa rýchlo vyparí. Ak by boli skutočne rovnaké, pri veľkom tresku by malo vzniknúť úplne rovnako veľa hmoty ako antihmoty a pri tom, ako sa vesmír rozpínal a chladol by sa postupne mali medzi sebou anihilovať a nemalo by po nich ostať nič, iba veľká kopa fotónov. Po veľkom tresku veľká kopa fotónov aj ozaj ostala – hovoríme jej žiarenie kozmického pozadia – avšak medzi hmotou a antihmotou predsa len nejaká asymetria bola. Nebola veľká, jedna extra častica hmoty na každých desať miliárd párov častica-antičastica. Ale predsa.

Odkiaľ má šancu pochádzať tento rozdiel zatiaľ nevieme. Vo fyzikálnych teóriách, ktoré máme dobre pod kontrolou, ktorým rozumieme a ktoré dobre popisujú veľkú väčšinu toho, čo okolo seba vidíme, na to priestor jednoducho nie je. A tak sme dúfali, že by mohli existovať rozdiely v tom, ako sa častice a antičastice správajú v gravitačnom poli. Napríklad, že sa úplne odpudzujú. Ľudia dokonca vybudovali modely spomínanej asymetrie založené na takomto predpoklade. Tie ale dostali veľmi ráznu stopku, lebo teraz už vieme, že antihmota sa aj po gravitačnej stránke správa rovnako ako hmota. Respektíve, že prípadný rozdiel je veľmi malý na to, aby tento problém vyriešil.

Ale tak to vo vede funguje. Máte nejaký problém, ktorý na základe aktuálneho porozumenia neviete vysvetliť a snažíte sa ho objasniť. Napríklad pozorovanú asymetriu medzi hmotou a antihmotou. Skúšame rôzne nápady, rôzne prístupy a modifikácie toho, čo máme k dispozícii a potom zisťujeme či to funguje alebo nie. Alebo môžeme mať aj revolučnejšie nápady, s ktorými to funguje rovnako. Skúšame a zisťujeme. Tento nápad nevyšiel, uvidíme ako dopadnú ostatné.

[Juraj]

Zopár linkov, ak by ste sa chceli dozvedieť viac:
pôvodný článok v Nature
stránka ALPHA experimentu
wikipedia o baryónovej asymetrii

2 thoughts on “Vo fyzike je (ešte stále) všetko po starom

Pridaj komentár