Tohle je poslední část série o asymetrii hmoty v podání Marcelo Gleisera. Finále se dotýká něčeho v běžném lidském slovosledu neuchopitelném a nazývá se baryogeneze při elektroslabém fázovém přechodu. Tato hypotéza se snaží vysvětlit vcelku nudný závěr, že nejsme z antihmoty. Lucifer
Co je to "baryogeneze při elektroslabém fázovém přechodu"? Baryogeneze: vytvoření přebytku baryonů nad antibaryony, tedy více hmoty než antihmoty. Elektroslabá: interakce vzniklá sjednocením elektromagnetické a slabé síly. Fázový přechod: proces, při kterém vnější okolnosti způsobí kvalitativní změnu systému, jako když se voda změní v led při poklesu teploty. Obdobný proces fázového přechodu popisuje i kvalitativní změny vnitřních symetrií částicové fyziky. Standardní model částicové fyziky předpověděl nejen existenci slabých kalibračních bosonů, jež jsou zodpovědné za slabou interakci, ale přišel také s novým mechanismem, jímž lze vysvětlit hmotnosti částic. Tento mechanismus spočívá v hypotetickém skalárním poli, jemuž se říká Higgsovo pole a jež je reprezentováno Higgsovým bosonem (viz Od mýtů o Stvoření ke kvantovému vesmíru V - Malá oblast podivnosti, druhý odstavec). Toto pole je dle standardního modelu ve vesmíru všudypřítomné a jeho úlohou je udělovat všem částicím hmoty i sil určitou hmotnost. Podle téhož modelu pak existují dvě možné fáze, v nichž se částice mohou nacházet. Je-li Higgsovo pole nulové, všechny částice jsou nehmotné. Je-li Higgsovo pole nenulové, získávají tyto částice jistou nenulovou (klidovou) hmotnost. Míra interakce konkrétní částice s Higgsem určuje velikost její hmotnosti: čím silnější interakce, tím větší hmotnost. Jedinou výjimkou je foton, jehož klidová hmotnost je vždy nulová. Dnes žijeme ve "zmrzlé" fázi, kdy je Higgsovo pole nenulové a částice mají netriviální hmotnosti. Je to fáze s nízkou energií. Podle dnešních odhadů se však při energiích dvěstěkrát až třistakrát vyšších, než je hmotnost protonu vynásobená druhou mocninou rychlosti světla, Higgsovo pole stává "průhledným" a všechny částice ho přestávají vnímat. Poněvadž míra interakcí s Higgsovým polem udává jejich setrvačnou hmotnost, částice se efektivně stávají nehmotnými. Při vysokých energiích nastoupí "tekutá" fáze. Vraťme se k analogii s vodou a ledem. Voda i led mají velmi odlišné prostorové (vnější) symetrie. Voda je homogenní, tedy v průměru všude stejná, led je naopak silně nehomogenní. Molekuly zmrzlé vody se nacházejí na specifických místech a tvoří krystalky, Vytvářejí nádhernou hexagonální mřížku připomínající včelí plástev. Atomy kyslíku se každý v šesti vrcholech a dva vodíkové atomy vždy podél dvou hran spojujících vrcholy navzájem. Tato šesterečná symetrie mřížky ledového krystalu je zodpovědná za nádherné šesticípé tvary vloček. I když mají krystaly velkou míru symetrie, tekutá voda má symetrii ještě vyšší. Fázový přechod způsobí, že symetrie poklesne. Něco podobného nastává i v případě Higgsova pole a elektromagnetických a slabých interakcích. Dokud je Higgsovo pole pro částice průhledné, jsou slabé kalibrační bosony nehmotné stejně jako foton. Slabé interakce mají tudíž dlouhý dosah a chovají se podobně jako elektromagnetismus. V tomto smyslu říkáme, že ve fázi s vysokými energiemi jsou obě interakce sjednoceny do jediné elektroslabé síly. Při nízkých energiích ale Higgsovo pole ztrácí svou průhlednost a začne se všemi částicemi hmoty a sil interagovat, čímž jim udělí hmotnosti. Slabé kalibrační bosony se stanou velice hmotnými, čímž se ze slabé jaderné síly stane interakce velmi krátkého dosahu a od elektromagnetismu se oddělí. Stejně jako v případě vody a ledu dojde při přechodu z vysokoenergetické do nízkoenergetické fáze ke ztrátě symetrie. Při nízkých energiích jsou obě síly velmi odlišné a vytvářejí realitu, ve které žijeme. Delikátnost celé procedury se skrývá v tom, že nejde o prostorové symetrie, ale o symetrie vnitřní, jež souvisejí se speciálními náboji, jimiž částice slabě a elektromagneticky interagují. Tato ztráta, či narušení, symetrie je známkou elektroslabého fázového přechodu. V roce 1985 publikovali tři ruští fyzici, Vadim Kuzmin, Valerij Rubakov a Michail Šapošnikov, významný článek, v němž předložili velice chytrou myšlenku použít elektroslabý fázový přechod k vysvětlení přebytku hmoty nad antihmotou. Elektroslabý fázový přechod nám pomáhá objasnit přebytek hmoty hned ve dvou ohledech. Zaprvé poskytuje možnost nezachování baryonového čísla v raném vesmíru (Sacharovova podmínka číslo 1, viz předchozí část), což je při nízkých energiích prakticky nemožné. Představte si, že pracujete v kafkovském úřadu, jehož komplex se skládá z nekonečného řetězce kancelářských místností bez stropu, které jsou odděleny velmi silnými zdmi vysokými tři metry, jenže místo čísla má každá místnost, přiděleno určité baryonové číslo, které se od čísel sousedních místností liší právě o tři jednotky. Za obvyklých energií a teplot se lze z jedné místnosti do druhé dostat (a tím získat či ztratit tři jednotky baryonového čísla) jenom tak, že provrtáte silnou stěnu do vedlejší místnosti, což v případě, když nemáte k dispozici vrtačku, je vysoce nepravděpodobné. V místnosti se však nachází stolička, upevněná na stlačené svislé pružině a zajištěná západkou, jež je citlivá na teplotu. Pokud si na tu stoličku sednete a nějakým způsobem se vám podaří zahřát západku na dostatečně vysokou teplotu, pružina se uvolní a vymrští vás do sousední místnosti. Místnosti tohoto kafkovského úřady reprezentují podstatu Kuzminova-Rubakovova-Šapošnikovova mechanismu. Za nízkých teplot je možné i ve standardním modelu porušit zákon zachování baryonového čísla, ale jenom velmi nepatrně (třeba pomocí kvantového tunelování, což se za těchto okolností prakticky neděje). Při vysokých teplotách jsou však procesy, jež mění počet baryonů, potlačeny méně a Sacharovova první podmínka je splněna. Když k ní ještě přidáme narušení C a CP slabou interakcí, situace se ještě zlepší. Výsledný efekt totiž způsobí nasměrování posloupnosti místností jedním privilegovaným směrem, jako bychom je postavili na svahu kopce. Cesta "směrem dolů" při narušení baryonového čísla zajistí, že se vytvoří více hmoty než antihmoty. Sacharovova druhá podmínka je také splněna. No a tu třetí, nerovnováhu, jež je nezbytná k tomu, aby se vzniklá asymetrie opět nesmazala, zaručí sám fázový přechod. Jak? Vybavte si opět vodu přeměňující se v led: voda je na počátku čistá a homogenní a nevidíme v ní vůbec žádné ledové krystalky. Při poklesu teploty začneme pozorovat tvorbu nepatrných jehliček zmrzlé vody. Tyto malé krystalky představují zárodky, kondenzační jádra fázového přechodu. Jejich náhlé zformování je často vyvoláno přítomností nějakých nečistot. Tak vzniká déšť a sněžení. Vodní pára v chladném vzduchu zkondenzuje na prachových částečkách. Dojde-li ke kondenzaci v blízkosti zemského povrchu, pozorujeme kapky rosy. Dojde-li k ní vysoko, spatříme mraky. A když je teplota hodně nízká, některé kapky mohou zmrznout a spustí obdobný proces ve svém okolí. Protože led je chladnější než voda, uvolňuje se tím teplo. Je to typický nerovnovážný proces. Rovnováhy je dosaženo tím, že celý systém přejde do nové fáze. Vraťme se však zpět k elektroslabému fázovému přechodu. Týká se dvou fází: jedna je symetrická a nastoluje se při vysokých teplotách, druhá je přítomna při nízkých teplotách a je asymetrická. V symetrické fázi jsou všechny částice nehmotné, zatímco v asymetrické fázi mají různé nenulové hmotnosti. Při vysokých teplotách se nemusí zachovávat baryonové číslo a lze vytvořit přebytek hmoty nad antihmotou. Higgsovo pole a narušení C a CP invariance zaručuje, že se vytvoří více baryonů než antibaryonů. Vesmír expanduje a v jistém okamžiku zchladne na mezní teplotu Higgsovy kondenzace, čímž dojde k narušení symetrie. Mechanismus tvorby přebytku hmoty nad antihmotou využívá expandujících bublin. Sledujme, co se odehrává vně a uvnitř nich. V symetrické ("tekuté") fázi vně se baryonové číslo může měnit a tvoří se více částic hmoty. Uvnitř bublin v asymetrické oblasti s nízkou energií jsou takové procesy zakázány. Nyní přichází hlavní trik: stěny bublin nejsou neprostupné a částice hmoty a antihmoty mohou občas přejít z vnějšího prostředí dovnitř bubliny. Protože ve vnějších oblastech je přebytek částic obvyklé hmoty, bude jich stěnami bublin procházet více než částic antihmoty. Tím vznikne pozorovaný přebytek hmoty uvnitř. Tato hypotetická představa působí dojmem úžasného a nádherného fyzikálního mechanismu, který dokáže i bez jakýchkoli podivuhodných matematických konstrukcí, jako je třeba přídavek dalších prostorových rozměrů v teorii strun, objasnit přebytek hmoty nad antihmotou v našem vesmíru. Jenže radost byla předčasná. O pár let později se prokázalo, že Higgs musí být přinejmenším 105krát těžší než proton. Jednoduchý scénář bublinového mechanismu byl tedy vyvrácen. Dolní odhady hmotností Higgse stále rostou a závěr je znepokojivý. Standardní model v dnešní podobě nelze použít k fyzikálnímu objasnění přebytku hmoty pomocí elektroslabého fázového přechodu. Zdroj: Marcelo Gleiser, Trhlina ve stvoření světa - Nová vize života v nedokonalém vesmíru Poznámka: Populárně naučné pojednání Marcelo Gleisera na toto velmi skvostné téma se mi líbí. Je podáno kvalitním způsobem. Občas jsem však měl pocit, že zabíhá do podobných končin, do kterých svou knížkou tepe. Souhlasím s tím, že představa téměř okamžitého vybudování Teorie všeho, natožpak z předpokladu, že celý vesmír, celé naše jsoucno, je totálně symetrická kompozice, je přinejmenším naivní. Všechno může být úplně jinak, než nám předkládá standardní částicový model, a o těch vyšších dimenzí ani nemluvě, ty působí spíše jako matematické hračky. Na závěr této série bych zde ještě ocitoval závěrečné slovo autora: Uvědomil jsem si, že přírodě se snažíme vnutit řád, který marně hledáme sami v sobě. Přírodní zákony opravdu existuji a shrnují vzorce organizovaného chování. Jsou však tyto zákony konstrukčními plány fyzikální reality? Anebo jsou to jen logické popisy, které jsme si k její reprezentaci vytvořili my sami?
14.12.2012, 00:52:48 Publikoval Luciferkomentářů: 0