Setkání hmoty s antihmotou

Co když jednoho dne se potká naše civilizace tvořená z hmoty s mimozemskými bytostmi tvořenými z antihmoty? Budeme se jich moci dotknout? Zatím je to spíše námět pro sci-fi literaturu, kde se setkáváme s názorem, že potká-li se těleso vytvořené z hmoty s objektem z antihmoty, dojde k takzvané anihilaci – k jakési obrovské explozi a rozpadem hmoty na záření fotonů. Není to tak docela pravda.

Při prvním kontaktu obou těles sice dojde k náhlé anihilaci, která je doprovázena tvorbou obrovského množství fotonů, ale právě tyto fotony vytvoří mezi hmotou a antihmotou vrstvu, která obě tělesa oddělí. Anihilace tak bude mít plošný charakter a nebude se jednat o záležitost celého objemu těles. Jde o obdobný jev, jakým je poskakující kulička vody na rozpálené plotně. Její dotyk s plotnou vytvoří páru, která kuličku izoluje od plotny a odpaření kuličky tak proběhne velmi pomalu. Taková mezivrstva zabraňující danému procesu se nazývá Leidenfrostova vrstva. Hannes Alfvén (1908-1995) v šedesátých letech vyslovil domněnku, že ve vesmíru mohou být rozsáhlé oblasti antihmoty. Jejich styku s hmotou je zabráněno Leidenfrostovými vrstvami a my se tak o antihmotě můžeme dozvědět jen omezeně, prostřednictvím antičástic, které prošly Leidenfrostovou vrstvou k nám. Tato teorie není dnes obecně přijímána a zdá se, že je experimentálně vyvrácena. O to více se musíme ptát, proč je vesmír složen jen z hmoty a ne z antihmoty.

K antičásticím, které tvoří antihmotu, přivedl vědce zprvu netradiční názor fyzika Paula Diraca (1902-1984). Když mu v jeho relativistické kvantové rovnici pro elektron začaly vycházet záporné energetické stavy, nezakázal je jako nefyzikální řešení, jak by to asi udělala většina jeho současníků, ale představil si, že všechny záporné energetické stavy jsou obsazeny nekonečným množstvím elektronů. Pokud je elektron z těchto stavů vyražen do některého z kladných stavů, zůstane po něm díra. Pozorovateli se bude díra jevit jako elektron s kladnou energií, hmotností a kladným nábojem! Na základě těchto úvah dospěl v roce 1931 Dirac k názoru, že záporné energetické stavy by bylo možné interpretovat jako kladný elektron a předpověděl existenci první antičástice - pozitronu. Pozitron byl objeven Carlem Andersonem v roce 1932, což bylo obrovským triumfem teoretické fyziky.

Ke každé částici existuje antičástice, která se od částice liší opačnou hodnotou všech kvantových čísel. Z antičástic můžeme tvořit větší celky podobně jako z částic. Například antiproton s pozitronem vytvoří antivodík, který má záporně nabité jádro a kladně nabitý obal. V principu takto můžeme vytvořit celý antisvět z antihmoty. Poprvé byla uměle antihmota vytvořena v roce 1950 na bevatronu v Lawrence Berkeley Laboratory.

Po dlouhá léta panoval mezi fyziky názor, že kdyby někdo měl tu moc a vybudoval svět z antihmoty, choval by se stejně, jako svět z hmoty. Na první pohled je ale zarážející, že ve vesmíru v drtivé většině pozorujeme hmotu. Kde se vzala tak velká nerovnováha mezi hmotou a antihmotou? Chovají se částice z hmoty skutečně stejně jako z antihmoty? Dnes víme, že ne.

Jde o tzv. C symetrii neboli invarianci. Písmeno C pochází z anglického Charge (náboj), jedná se tedy o symetrii vzhledem k záměně všech nábojů za opačné (nejen elektrického, ale i vůně, barvy, atd.). Další otázkou je, zda by se choval stejně svět, ve kterém by všechny levé směry byly nahrazeny pravými a naopak. Kdyby oživl svět za zrcadlem, měl by stejné vlastnosti jako ten před zrcadlem? Hovoříme o tzv. P symetrii, písmeno P pochází z anglického slova Parity (stejnost, rovnost). Poslední ze základních otázek se týká T symetrie, písmeno T pochází z anglického Time (čas). Jde o symetrii vzhledem k obrácení chodu času. Když nafilmujeme nějaký fyzikální děj a pustíme si film pozpátku, může tento obrácený děj také nastat v přírodě? Bohužel, dnes je odpověď na všechny tři otázky záporná. Zdá se ale, že kombinovaná CPT symetrie by měla platit. Kdybychom měli nějaký přístroj z hmoty a nafilmovali jeho činnost, mohli bychom (alespoň teoreticky) postavili přístroj, který by byl celý z antihmoty, byl by zrcadlovým obrazem původního přístroje a choval by se podle původní nahrávky puštěné pozpátku.

Proč je ve vesmíru jen hmota?

Podle dnešních představ bylo těsně po Velkém třesku ve vesmíru stejně hmoty i antihmoty. K nepatrnému narušení této rovnováhy zřejmě došlo zhruba v čase 10−30 s po Velkém třesku, kdy ve vesmíru panovala teplota 1025 K a průměrná energie částic byla 1012 GeV. V těchto extrémních podmínkách docházelo k přechodům mezi leptony a kvarky, za které byly zodpovědné zprostředkující intermediální částice X a Y. Existenci těchto částic předpovídají teorie sjednocení všech čtyř interakcí. Narušení CP symetrie v přírodě bylo ale zodpovědné za to, že vzájemné přeměny leptonů a kvarků probíhaly mírně nesymetricky:

V reakcích kvark ↔ antilepton a antikvark ↔ lepton převládly nepatrně směry antilepton → kvark a antikvark → lepton. Na miliardu reakcí v obou směrech se vyskytla jen jedna částice navíc ve prospěch hmoty. Mnohem později, až vesmír podstatněji ochladl, došlo k postupné anihilaci hmoty a antihmoty na záření. Na každou miliardu anihilujících částic a antičástic zbyla ve vesmíru jedna jediná částice hmoty. A právě z těchto zbylých částic je postavený dnešní vesmír.

zpracováno podle Petra Kulhánka