CERN potvrzuje klíčový zákon: hmota i antihmota se vůči fyzice chovají stejně

Fyzika si tak může oddechnout: hmota a antihmota sice disponují opačným nábojem, podléhají ale stejným fyzikálním zákonům. Kdyby se však ukázalo, že Symetrie je třeba jen minimálně narušena, otřásla by i Einsteinovou speciální teorií relativity.

Platnost klíčového předpokladu částicové fyziky po léta zaměstnávala mezinárodní tým vědců. Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN) k tomu poskytla obří urychlovač, skrytý v podzemí. Experimentátoři jím posílají jádra olova nebo protony jádra a nechávají je se srážet, protože srážkami vznikají v médiu urychlovače fascinující děje. Popisuje je jeden z členů projektu ALICE doc. Vojtěch Petráček.

„Částice prolétají ve správnou chvíli dutinami, tj. rezonátory, kde jim energii dodává elektromagnetické pole. Získávají ji po malých částech více a více, až dosáhnou limitní energie, která je v urychlovači možná, a to pak létají velice blízko rychlosti světla. Co se týče média uvnitř urychlovače – při těchto vysokoenergetických srážkách je extrémně horké a má tzv. baryonovou hustotu. Což je rozdíl mezi hustotou hmoty a tzv. antihmoty, která při srážkách vzniká. Víceméně se to blíží stavu, který panoval na začátku vesmíru“, vysvětluje doc. Petráček.

Záhada jménem antihmota

Antihmota si v širší veřejnosti vydobyla renomé hlavně díky sci-fi povídkám − literáti jí rádi líčí jako zdroj paliva vesmírných korábů daleké budoucnosti. Fyzici jsou tradičně zdrženlivější, popisují ji jako látku, kde je každá částice nahrazena antičásticí s opačným nábojem. Pokud má tedy atom hmoty jádro složené z kladně nabitých částic a obal z částic záporných, pak je na tom atom antihmoty přesně opačně.

Podle fyziků se antihmota vyskytovala při Velkém třesku ve stejném množství jako hmota. Nějakou záhadou se ale ještě v průběhu Big Bangu začala ztrácet, až takříkajíc zmizela ze světa. V CERNU ji ovšem vědci znovu objevují.

„Uprostřed experimentu, který sestává z řady detektorů uspořádaných asi jako slupky cibule − kdy jedna obaluje druhou − dojde ke srážce. Produkty této srážky následně proletí jednotlivými detektory, kde zanechají stopy… většinou v plynu, pevné látce nebo polovodiči. Z těchto stop potom rekonstruujeme průběh dráhy částic, z jejich zakřivení můžeme určit hybnost, z energetických ztrát můžeme určit, o jaký druh částic se jedná a rovněž tak z doby letu. Tak se nám je daří třídit a získávat jejich základní parametry,“ konstatuje Vojtěch Petráček.

Experimentátoři přitom musí často dlouho čekat, jestli vzácné antičástice vůbec vzniknou. „Abychom mohli určit produkci a parametry částic a antičástic s velkou přesností, obzvlášť těch těžších, potřebujeme získat mnoho srážek jader olova. Je totiž jen velmi málo pravděpodobné, že vznikne například jádro antihelia koalescencí několika antiprotonů,“ podotýká Petráček k procesu, který si můžeme představit jako slepování částic dohromady. Když pospolu letí třeba dva antiprotony a antineutrony, a to velmi podobnou rychlostí a velmi podobným směrem, může vzniknout jádro antihelia za podmínky, že jsou u sebe dost dlouho v dostatečně malé oblasti, až je jaderné síly do jádra svážou.

A když se konečně nepravděpodobné stane skutečností a vědci kýžené antičástice objeví, musí mít ještě pořádnou dávku trpělivosti, než vytvoří dost velkou statistiku, ze které je teprve možné parametry částic přesně stanovit. „Celý detektor je vybaven množstvím rychlé čtecí elektroniky, která si zapamatuje, co v několika mikrosekundách až desítkách mikrosekund z detektorů vzejde za signál a posléze tuto informaci posílá do počítačů, kde ji analyzujeme, kalibrujeme, následně zobrazujeme i dále analyzujeme,“ dokresluje docent Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT práci v největším vědeckém centru planety.

Experiment ALICE provedl přesné srovnání vlastností jader s jádry antihmoty

Díky špičkovým technologiím se vědcům podařilo prověřit, že se hmota i antihmota chovají k fyzikálním zákonům stejně. Tato Symetrie CPT totiž praví, že když vyměníme částice za antičástice, dále změníme směr toku času a pokud zároveň zrcadlově změníme orientaci souřadných os, tak veškerá fyzika zůstává stejná. Pokud bychom tedy v teoretickém světě antičástic sledovaly objekty pohybující se zpátky v čase, měly by pro ně platit stejné zákon jako u nás ve světě hmotném.

„To je taková fundamentální symetrie, kterou prozatím žádný experiment nevyvrátil, na rozdíl od jiných symetrií, které jsme za fundamentální považovali,“ upozorňuje doc. Petráček. Ba co více, experimentátoři z AV ČR (Fyzikálního ústavu, Ústavu jaderné fyziky) a ČVUT společně se zahraničními kolegy v rámci experimentu prokázali její platnost „s doposud bezprecedentní přesností,“ upozorňuje doc. Michal Šumbera, vedoucí týmu ALICE ČR. Díky tomu, že vědci dokázali zpracovat nejrozsáhlejší statistiku antičástic (antijader) v patnáctileté historii měření, ověřili Symetrii CPT více než desetkrát přesněji.

Pro fyziku je to kontrola veledůležitá, protože nepřesnost zákona by mohla mít dalekosáhlé důsledky – „mimo jiné i pro Einsteinovu speciální teorii relativity,“ podotýká Doc. Šumbera. Na druhou stranu ale členové projektu ALICE připouští, že s rostoucím balíkem dat poroste i přesnost měření. Úplnou jistotu tedy ještě nemají. „Je velmi pravděpodobné, že tato symetrie bude skutečně ta, která se nenarušuje, kdyby k něčemu takovému došlo, tak by to byl velice zajímavý a motivující krok do nové teorie…, ale vlastně o ani o takové překvapení nebývá ve fyzice nouze,“ uzavírá doc. Vojtěch Petráček s tím, že mezi velké neznámé, které se urychlovače CERNU také snaží rozluštit, patří otázka, kam se vlastě antihmota poděla? Náš svět je sice stvořen z hmoty, ale na samotném počátku vesmíru přeci jejich množství bylo srovnatelné...