Zvětšit obrázek

Náš svět je složený z hmoty (zdroj HST – NASA)

Pokud by rozdíl mezi množstvím hmoty a antihmoty nevznikl, všechna původní hmota a antihmota by anihilovala a vesmír by vyplňovalo pouze reliktní záření, ve kterém se tato prvotní, kosmologická anihilace zobrazuje. Porovnání počtu fotonů reliktního záření v objemové jednotce a hustoty hmoty (počtu nukleonů v objemové jednotce) v současném vesmíru nám umožňuje popsat poměr mezi hmotou a antihmotou na počátku vesmíru. Odtud víme, že velikost tzv. baryonové asymetrie byla taková, že zhruba na deset na devátou protonů existovalo deset na devátou antiprotonů bez jednoho. I takto malý přebytek hmoty nad antihmotou dokázal vytvořit veškerou tu rozmanitost a nádheru, kterou v našem vesmíru pozorujeme.

Již před půlstoletím ukázal ruský fyzik Andrej Sacharov, že, pokud má vzniknout přebytek hmoty nad antihmotou, musí být splněny tři podmínky. První je, že se musí narušovat zákon zachování baryonového čísla, což v principu také znamená, že se může rozpadat proton. Toto narušení nebylo zatím pozorováno. Ve standardním modelu je však obsaženo, i když velmi specifickým způsobem.

Druhá podmínka souvisí s narušením symetrie mezi hmotou a antihmotou, tedy fyzikálními zákonitostmi ve světě a antisvětě se musí lišit. Narušuje se symetrie nábojového sdružení (C-symetrie). Toto narušení je ve standardním modelu spojeno se slabou interakcí a může být i velmi velké, v našem světě například existují pouze levotočivá neutrina a pravotočivá antineutrina. Zároveň však musí být narušena tzv. kombinovaná CP symetrie. Tedy, že i v případě, že zaměníme částice za antičástice a antičástice za částice a zároveň náš svět zrcadlově zobrazíme, nedostaneme úplně přesnou shodu všech fyzikálních procesů. Například v tomto případě se z levotočivého neutrina stane při přechodu k zrcadlovému zobrazení pravotočivé neutrino a při přechodu od částice k antičástici pak pravotočivé antineutrino. A to je něco, co odpovídá tomu, co existuje v našem světě. Narušení zrcadlové symetrie a symetrie mezi hmotou a antihmotou se tak v tomto případě kompenzuje. Ve standardním modelu však existuje pro procesy spojené se slabou interakcí i narušení této kombinované CP symetrie. Její narušení bylo také pozorováno, poprvé v rozpadu K0 mezonů. Podrobněji jsou tyto symetrie, jejich narušení a pozorování jevů, které s tím souvisí, popsány v článku „Jak sdělit mimozemské civilizaci, která ruka je levá a nejsme z antihmoty“. Ovšem toto narušení je silně závislé na teplotě a pro většinu teplotních oblastí je velmi malé a nedostatečné pro vysvětlení existujícího přebytku hmoty nad antihmotou.

Třetí Sacharovova podmínka je, že ve vývoji vesmíru musely existovat periody, kdy byla narušena termodynamická rovnováha. Tyto etapy mohly být spojeny s fázovými přechody, ke kterým během rozpínání a chladnutí vesmíru, docházelo. Jednou s možností je fázový přechod spojený s narušením elektroslabé symetrie a oddělení elektromagnetické a slabé interakce.

Zvětšit obrázek

Experimenty na Urychlovači LHC zatím žádné příznaky nové fyziky za standardním modelem nenacházejí (zdroj CERN).

Fázový přechod spojený s elektroslabou symetrií však nastává při teplotě 100 GeV (zhruba 10¹⁵ K) a při ní je narušení CP symetrie extrémně malé. To vede k tomu, že se vysvětlení tohoto narušení hledá ve fyzice za standardním modelem. V řadě článků, které popisují nedávné výsledky experimentů pracujících na urychlovači LHC (například zde a zde ), se ukazuje, že standardní model je s extrémní přesností potvrzován a nepozorují se známky nové fyziky za ním. To je důvod, proč je velmi atraktivní se podívat, zda přece jen nelze asymetrii mezí hmotou a antihmotou v našem vesmíru vysvětlit v rámci standardního modelu.

To byl také hlavní cíl práce, kterou vypracoval náš mladý kolega Tomáš Brauner s teoretiky z Německa a Dánska. Velice přesně propočítal průběh velikosti narušení CP symetrie v závislosti na teplotě. Výpočty ukázaly, že pro teplotu zhruba o dva řády nižší, než je teplota zmíněného fázového přechodu spojeného s narušením elektroslabé symetrie, je narušení CP symetrie dostatečně velké pro vysvětlení pozorovaného přebytku hmoty nad antihmotou.

Zvětšit obrázek

Narušení CP symetrie v rozpadech částic obsahujících druhý nejtěžší kvark b zkoumá experiment LHCb (zdroj CERN).

Za předpokladu, že se přejde ke kosmologickému scénáři, který předpokládá fázový přechod při daleko nižších teplotách, než se klasicky uvažovaly, tak lze pozorovanou baryonovou asymetrii vysvětlit. Takovým scénářem je tzv. chladná elektroslabá baryogeneze, která umožňuje snížit teplotu fázového přechodu i pod hodnotu 1 GeV (10¹³ K). Tomáš Brauner s kolegy provedl velké množství výpočtu, které umožnily určit velikost narušení CP symetrie, a ukázal, že lze vývoj baryonové asymetrie v našem vesmíru vysvětlit i v rámci standardního modelu. Jejich výpočty sice nedokazují, že právě takovým způsobem, který studovali, vývoje raného vesmíru opravdu probíhal. Ale jedná se v každém případě o velmi zajímavou možnost, zvláště v této době, kdy se síla standardního modelu potvrzuje dalšími a dalšími daty získanými pomocí LHC.

Svou práci předložil Tomáš Brauner do soutěže o nejlepší práci Ústavu jaderné fyziky AVČR v roce 2012. Můžete si tak poslechnout jeho prezentaci (hypertextový odkaz na prezentaci soubor má 32 MB) přednesené v rámci minikonference věnované soutěžním pracím. Odborný článek, ve kterém byly prezentované výsledky publikovány, je zde, zde  a zde.  V příštím roce se pokusím čtenářům Osla přiblížit i některé z dalších prací tohoto klání.