Neviditelný čert

Na závěr předchozí části bylo řečeno, kromě zmínky o Diracově usilovném pátrání po magnetickém monopólu, že naše hmota má jakýsi protipól, jakýsi duplikát, jemuž se říká antihmota. Antičástice, které tuto substanci tvoří, se však ve vesmíru vyskytují jen tu a tam na krátkou chvíli, žádný objekt antihmoty však pozorován nebyl. Tato kopie však není dokonalá. Nejdříve si něco řekneme o antihmotě, a pak blíže prozkoumáme náš materiální svět.

Lucifer

Elektrické a magnetické vlastnosti částic a antičástic jsou prohozeny. Opačné jsou i jiné vlastnosti, které se týkají interakce částic a antičástic na subnukleárních vzdálenostech. Tyto odlišnosti leží v jádru jedné z největších dosud nerozřešených záhad moderní částicové fyziky, velice významné asymetrie přírody. Antičástice, které byly experimentálně pozorovány, vznikají srážkami běžných částic, ať už v kosmickém záření anebo uměle v urychlovačích. Některé antičástice mohou vznikat při katastrofických astrofyzikálních událostech, například když černá díra pohltí celou hvězdu. Z nějakých důvodů dal ale čerstvě zrozený vesmír přednost hmotě před antihmotou. Tato nedokonalost je nejdůležitějším faktorem určujícím naší existenci. Kdyby v raných fázích kosmické historie vedle sebe koexistovalo úplně stejné množství hmoty a antihmoty, navzájem by anihilovaly tak silně, že výsledný vesmír by se skládal vlastně jen ze záření. Život by rozhodně nebyl možný.

Ale co když to, co pozorujeme ve svém okolí, je pouze lokální efekt. Nemohou existovat třeba antihmotné galaxie? Můžeme vcelku spolehlivě tvrdit, že celá naše Galaxie je vytvořena z hmoty. Kdyby v ní byla antihmota, museli bychom detekovat přebytek gama záření pocházející ze srážek hvězd a antihvězd anebo z kolizí mezihvězdných oblaků antihmoty s oblaky běžného prachu. Tuto mez však můžeme posunout na celý pozorovaný vesmír. Kdyby ve vesmíru existovaly ohromné bubliny antihmoty, pak by na hranicích mezi oblastmi s hmotou a antihmotou probíhala anihilace takovou měrou, že by podstatným způsobem přispívala k celkovému extragalaktickému záření gama.

Z výsledků teoretického modelu porovnaných se známými pozorováními však jednoznačně plyne, že žijeme ve vesmíru tvořeném výhradně hmotou. Podle kosmologického modelu v době primordiální nukleosyntézy, tedy asi sekundu po velkém třesku, připadala na každou miliardu plus jedna částic hmoty miliarda částic antihmoty. Jaké procesy v raném vesmíru mohly tuto nerovnováhu vyvolat? Pojďme se nejdříve podrobněji podívat na symetrie a asymetrie částicové fyziky, neboť právě ony leží v jádru našeho nedokonalého kosmu a v konečném důsledku jsou zodpovědné i za naši existenci.

Začněme výčtem fundamentálních přírodních sil, čtyř základních interakcí mezi částicemi hmoty. Předně je tu gravitace a také elektromagnetismus. Obě síly ubývají s druhou mocninou vzdáleností. Velice důležitý rozdíl mezi gravitací a elektromagnetismem (i zbývajícími dvěma interakcemi) spočívá v tom, že výhradně gravitace je vždy přitažlivá. Kus hmoty bude pokaždé gravitačně přitahovat jiný kus hmoty, neexistuje žádný "opačný gravitační náboj", jak to známe u elektrického působení. Proto je gravitace jedinou důležitou interakcí na kosmických rozměrových škálách. Zatímco ostatní síly se buď efektivně neutralizují, nebo se stávají zanedbatelnými, gravitace se stále jen kumuluje.

Ostatní dvě síly, silná a slabá (jaderná), se uplatňují jenom na jaderných a subjaderných vzdálenostech. Silná interakce drží pohromadě protony v atomových jádrech, a to i přesto, že se navzájem elektricky odpuzují. Zároveň také v jádrech váže neutrony a činí je stabilními. Po roce 1950 bylo experimentálně vyprodukováno mnoho dalších typů částic, které interagují prostřednictvím silné jaderné síly. Fyzikové dali těmto částicím společný název hadrony (z řeckého slova "masivní" či "tlustý"). Existují dva typy hadronů: baryony, mezi něž patří protony a neutrony, a mezony, například pí-mezony (tedy piony). Ve třicátých letech minulého století japonský fyzik Hideki Yukawa předpověděl, že piony jsou zodpovědné za stabilitu jader. Usoudil, že čím těžší je částice zprostředkovávající silové působení, tím větší je energie potřebná k jejímu vyslání a tím kratší musí být dosah interakce.

Velké množství různých typů hadronů bylo znepokojivé. Můžeme vůbec tyto částice nazývat elementární? V roce 1964 nezávisle na sobě přišli Murray Gell-Mann a George Zweig s myšlenkou, že všechny hadrony, podobně jako atomy, jsou složeny ze tří elementárních součástek. Gell-Mann tyto hypotetické částice nazval kvarky (což vyhrabal z díla Jamese Joyce Plačky nad Finneganem), zatímco Zweig je pojmenoval "esa". O pár let později si Gell-Mann uvědomil, že spoustu nových hadronů je možné uspořádat do skupin po osmi, a to podle elektrického náboje a nové vlastnosti, kterou nazval "podivnost", což si můžeme představit jako odlišný druh náboje, který částice nesou. Gell-Mannův přístup, podle buddhistické inspirace občas zvaný "osmerá cesta", se ukázal být nesmírně úspěšným.

Baryony se skládají ze tří kvarků, zatímco mezony z kvarku a antikvarku, což je antičástice kvarku. Existuje šest typů (tzv. vůní) kvarků označovaných "up", "down", "charm", "strange", "beauty" a "top". Například proton je složen s tripletu uud (kde u je zkratka kvarku "up" a d je zkratka "down"), zatímco neutron tvoří triplet udd. Neutrální pion je vytvořen z up kvarku a anti-up kvarku anebo z down kvarku a anti-down kvarku. Na kvarkové úrovni je silná interakce zprostředkována částicemi zvanými gluony. Ty hrají podobnou úlohu jako fotony pro elektromagnetické interakce. Gluony jsou ale citlivé pouze na jiný druh náboje, jejž kvarky také nesou, totiž jejich "barvu". Teorie popisující interakce kvarků a gluonů je nádhernou ukázkou, jak v přírodě fungují symetrie: nazývá se kvantová chromodynamika, zkráceně QCD.

Pokud kvarky opravdu existují, můžeme je pozorovat jako volné částice? Zatím se to nezdařilo ani v kosmickém záření. Kvarky jsou totiž uvnitř hadronů uvězněny a nemohou se dostat ven. Toto uvěznění (přesněji "barevné uvěznění", anglicky "color confinement") je jednou z charakteristických vlastností kvarků. Jakýkoli pokus vytrhnout kvark z barevně neutrálního mezonu či baryonu končí nevyhnutelně vznikem páru kvark-antikvark, tedy dalším mezonem. Při oddalování dvou kvarků jejich vzájemná přitažlivost narůstá, jako když se napíná struna vytvořená z gluonů, až ta struna praskne a vzniknou dvě nové struny, dva nové páry kvarků.

Opačným extrémem je situace, kdy se snažíme kvarky přiblížit co nejvíc k sobě. Pak se začnou navzájem ignorovat a chovají se jako volné a svobodné částice. Tahle situace nastala pouze miliontinu sekundy po velkém třesku, kdy panovaly teploty srovnatelné s hmotnostmi mezonů a baryonů a hmota byla stlačena do nepatrného objemu. Kvarky a antikvarky se tak mohly vymanit ze vzájemného uvěznění a projevovat se volně. V oněch dobách neobsahovala kosmická primordiální polévka hadrony, ale kvarky a gluony.

A nakonec je tu ještě slabá jaderná interakce, která zodpovídá za radioaktivitu. Umí přeměnit kvark d na kvark u, a tudíž přetvořit neutron na proton. Také ona funguje prostřednictvím výměny svých nosičů, které jsou tentokrát tři. Mají hmotnost zhruba 80krát a 90krát větší, než je hmotnost protonu, takže jsou velmi těžké, a někdy se o nich hovoří jako o slabých kalibračních bosonech. Poslední skupinou částic hmoty jsou leptony, což je odvozenina z řeckého slova "lehký". Protože leptony ignorují silnou jadernou interakci, nejsou součástí atomových jader. Existuje šest druhů leptonů, z nichž nejznámější je elektron a elektronové neutrino. Dále máme mion a jeho neutrino a pak tauon a jeho neutrino. Každý ze tří záporně nabitých leptonů má svého elektricky neutrálního parťáka. Plyne z toho, že slabá interakce elektronů bývá doprovázena elektronovým neutrinem. A to platí i o mionech a tauonech. Poskládáme-li všechny informace dohromady, můžeme shrnout, že jediné stabilní jsou částice tvořící běžné atomy, tedy protony, neutrony a elektrony. Nebo alespoň žijí velmi dlouho.

Zdroj: Marcelo Gleiser, Trhlina ve stvoření světa - Nová vize života v nedokonalém vesmíru

Poznámka:

Je zajímavé, že k vysvětlení velkého počtu hadronů jsou zapotřebí kvarky, jejichž elektrický náboj je zlomkem náboje protonu či elektronu. Kvarky mají elektrický náboj plus 2/3 nebo mínus 1/3. Ze dvou prvních a jednoho druhého sestavíme jeden celý kladný náboj protonu. Z čeho se ale skládá elektron, jenž patří mezi leptony a má jeden celý záporný náboj? Někdy se elektrický náboj může dělit, a někdy ne? Přiznávám, že jsem odpověď na tuto otázku v částicové fyzice nenalezl, ale možná jsem hledal špatně. Třeba se zde najde někdo, kdo mi to vysvětlí.

V každém případě nabývám pocitu, že i kvarky jsou možná jenom takovým pomocným lešením jako třeba dodatečné prostorové dimenze v superstrunové teorii. Možná teď působím příliš konzervativně, ale konzervativním jsem nikdy nebyl, což mé okolí již mnohokrát a někdy i s jistým odporem zaznamenalo. Jsem jistě dostatečně liberální, ale nepatřím mezi fundamentalistické liberály, kteří mají pocit, že vše, co dosud a třeba i velmi dobře fungovalo, musí být zničeno a nahrazeno něčím úplně novým, což platí v opačném gardu i o konzervativních fundamentalistech. Nahradit je třeba pouze věci, které se ukázaly nefunkční, ale co je nejdůležitější, je to, že je vždy třeba zůstat zakotven v realitě. Sny, pohádkové vize a podobné duševní rozlety mohou člověka jistě vždy obohatit na všech úrovních. Jenže pohádka a realita jsou dvě různé věci.

Pohádky a podobné vize nás mohou k lecčemu inspirovat, ale důležité je jenom to, co nám pomůže vnímat realitu. Kvarky jsou hezký pohádkový nápad, který působí mnohem reálněji než třeba superstruny v mnohorozměrném prostoru. Avšak stejně jako další hypotetické dimenze jsou alibisticky definovány tak, abychom je nikdy nemohli detekovat. Dodatečné prostorové dimenze jsou svinuty tak, že jsou prakticky neviditelné, a kvarky se mohou volně objevit pouze v páru kvark-antikvark.

To samozřejmě neznamená, že může existovat něco, co nejsme schopni našimi současnými smysly a přístroji vnímat a detekovat. Může, ale v obou těchto případech to vypadá, jako že musí navždy. A to je tak trochu "podivné".

S kvarky související již zde publikované články:

Tři (š)kvarky
Gravitace II

14.11.2012, 01:00:57   Publikoval Luciferkomentářů: 0