Proč je svět z hmoty a ne z antihmoty?

Ve světě elementárních částic ke každé částici existuje její “opačný” či “sdružený” partner – antičástice, která má určité fyzikální charakteristiky shodné s danou elementární částicí, ale některé jiné fyzikální charakteristiky mají opačné LHC_and_mountains-0503019-1-niceznaménko či směr. Antičástice má stejnou hmotnost, spinové číslo, dobu života a izospin, avšak její náboj a magnetický moment jsou opačné (stejné co do velikosti, ale opačného znaménka); opačné se připisuje i leptonové číslo, baryonové číslo a projekce izospinu. Jedná-li se o neutrální částice bez elektromagnetických vlastností, mohou být sdruženy buď samy k sobě (foton, po, graviton), takže vlastně nemají antičástice, nebo mohou mít částice a antičástice od sebe odlišné (např. neutron, neutrina). V případě fermionů vznikají částice a antičástice v párech a rovněž v párech zanikají. V naší přírodě (složené z hmoty) se antihmota, resp. antičástice, vyskytují tam, kde dochází k interakcím částic při vysokých energiích – vyšších než dvojnásobek klidové hmotnosti elektronu či pozitronu 2×511=1,022MeV; tehdy vznikají pozitrony. Těžší antičástice (antiprotony, antineutrony) pak mohou vznikat až při značně vysokých energiích, 3GeV a vyšších. To je doména urychlovačů a kosmického záření.

Anihilace antičástic s částicemi 

Při interakci antičástic se svými odpovídajícími “protějšky”, částicemi, mohou tyto dvojice navzájem zaniknout *) – anihilovat – za vzniku jiných (lehčích) částic či antičástic. Často to bývají fotony. Jsou přitom splněny zákony zachování energie a kvantových čísel (opačná kvantová čísla se “vynulují”). Dochází k úplné přeměně klidové hmotnosti (+kinetické energie) na energie jiných částic a polí, přičemž původní částice zanikají. Konkrétní procesy anihilace budou popsány níže pro jednotlivé druhy částic.

*) Anihilace částic neznamená jejich zničení, ani přeměnu hmoty v “čistou energii”! 

O procesu anihilace antičástic s částicemi se dosud tradují některé téměř mystické představy. Pocházejí z doby, kdy se tyto procesy objevovaly a připadaly fyzikům natolik neobvyklé, že jim přisuzovali zvláštní filosofický význam. Nyní víme dvě vzájemně související věci:
× Při anihilaci částic, navzdory názvu (lat. nihil=nic; anihilace=zničení, zmizení), nedochází k jejich zničení, zániku či zmizení z tohoto světa “beze stopy”, ale k jejich přeměně na jiné částice mikrosvěta, při splnění všech obvyklých zákonů zachování (energie, hybnosti, náboje a dalších kvantových charakteristik). Nic se přitom neztratilo ani nezískalo.
× Anihilace není přeměna hmoty na energii, či látky na “čistou energii”, jak se někdy uvádí. Při anihilaci (jako ostatně při každém známém přírodním procesu) je splněn zákon zachování energie – ovšem celkové, relativisticky chápané energie, včetně klidové energie částic. Jde tedy jen o přeměnu jedné formy hmoty na jinou formu.
Ostatně, přeměna “částic hmoty” na pole (s kvanty nulové klidové hmotnosti) nastává z obvyklých částic jen u anihilace elektronu s pozitronem. Antiprotony či antineutrony “anihilují” za vzniku jiných masívních částic (pionů – viz níže), takže o “přeměně hmoty v čistou energii” nelze vůbec mluvit..!..

“Antiatomy”, “antisvěty”


Antičástice mají vzhledem k sobě úplně stejné vlastnosti svých interakcí jako částice, takže kolem antiprotonu může obíhat pozitron a vytvořit tak atom “antivodíku”. Podobně mohou antiprotony a antineutrony vytvářet atomová “antijádra”, kolem nichž mohou obíhat pozitrony ve slupkách o stejných energiích a podle stejných výběrových pravidel jak to známe z naší atomové fyziky. Takovéto “antiatomy” pak budou mít úplně stejné chemické i spektroskopické vlastnosti jako atomy naší hmoty – budou vytvářet prvky či sloučeniny antihmoty se stejnými vlastnostmi jaké známe u naší hmoty.

Vzniká přirozeně otázka, zda se někde ve vesmíru nachází tato antihmota? Aby mohla dlouhodobě existovat, musí se antihmota nacházet odděleně od hmoty, jinak by docházelo k masívní anihilaci. Otázka tedy zní: jsou někde “antisvěty”? Pomocí běžných spektrometrických metod to na dálku nepoznáme – světlo z “antihvězd” či “antigalaxií” by vzhledem k identickým vlastnostem “antiatomů” mělo úplně stejná spektra jaká známe u hvězd a galaxií. Jsou však dvě přesvědčivé indicie, podle nichž se v nám dostupné části vesmíru antihmota nevyskytuje:

1. V primárním kosmickém záření ze vzdáleného vesmíru se vyskytují pouze protony, nikoli antiprotony (nepatrný podíl cca 10-4 antiprotonů pozorovaný v kosmickém záření jsou antiprotony sekundární; vznikají při interakcích protonů vysokých energií s mezihvězdným prostředím – s částicemi i fotony reliktního záření; podobně pozitrony). V kosmickém záření nebyla dosud zaznamenána žádná složitější “antijádra” (složená z antiprotonů a antineutronů) hélia či těžších prvků *). Taková “antijádra” by přitom musela být ve velkém množství emitována do vesmíru při každém výbuchu případné “antihvězdy” jako supernovy, v (anti)hvězdném větru, jakož i ve výtryscích z akrečních disků antihmoty kolem černých děr. Kdyby kosmické záření obsahovalo velké množství antiprotonů či složitějších “antijader”, mohli bychom je považovat za jakési “vyslance” z antihvězd a antigalaxií. Ve skutečnosti jich však pozorujeme jen velmi málo, právě tolik, kolik jich průběžně vzniká interakcemi běžných vysokoenergetických protonů kosmického záření s obyčejnou hmotou.
*) Případná detekce složitějších “antijader” by byla pádným důkazem existence velkého množství antihmoty – “antihvězd”, “antigalaxií” – někde ve vesmíru. Taková složitější “antijádra” totiž nemohou vznikat sekundárně žádnými vysokoenergetickými interakcemi částic, ale mohly by mít svůj původ jedině v primárním vzniku ve velkém množství antihmoty či v termonukleární syntéze antičástic v “antihvězdách”. Jsou proto plánovány družicové “detektory antihmoty”, jako je AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), které by byly schopny zaznamenat “antihélium” (anti-alfa částice).
2. Pokud by některé hvězdy, galaxie nebo oblaka plynů byly z antihmoty, na rozhraní hmoty a antihmoty by docházelo k intenzívní anihilaci za vzniku tvrdého záření g o energii 511keV. Žádná měření zatím takové anihilační záření nezaznamenala.
Ve vesmíru se tedy buď žádné znatelné množství antihmoty nevyskytuje, nebo se “antisvěty” nacházejí v tak velkých vzdálenostech, že žádné jejich projevy nemůžeme v našem místě registrovat.

Proč je tedy svět z hmoty a ne z antihmoty? (nebo proč není jenom ze záření?)

bigbangZajímavá je otázka, proč dnes pozorujeme ve vesmíru téměř výhradně “obyčejnou” hmotu a téměř žádnou antihmotu? Či dokonce proč je zde vůbec nějaká hmota a ne jenom záření? Pro odpověď na tyto otázky bychom se museli vydat až k samotným počátkům vesmíru. Podle současných kosmologických představ by na počátku vesmíru mělo původně vzniknout stejné množství hmoty a antihmoty. Vlivem určitých specifických jevů – narušení symetrie interakcí v počátečních okamžicích evoluce vesmíru – množství hmoty nepatrně převážilo nad antihmotou, došlo k mírné baryonové asymetrii vesmíru. Tento nepatrný přebytek způsobil, že pro další vývoj vesmíru tato hmota zůstala *), zatímco všechna ostatní hmota a antihmota vzájemně zanihilovala již během hadronové a leptonové éry a nakonec se přeměnila na záření (nyní pozorované jako reliktní záření). Kdyby nedošlo k baryonové asymetrii v počátcích vesmíru, veškeré částice by vzájemně zanihilovaly a vesmír by sestával pouze ze záření (v takovém fádním vesmíru by nemohly vzniknout hvězdy, planety, život…)..

*) Terminologie hmota-antihmota je relativní. To, co zůstalo a z čeho je náš okolní svět, jsme prostě nazvali hmotou a hypotetická látka složená z opačných částic je pro nás antihmotou. V myšleném vesmíru, kde by baryonová asymetrie převládla na opačnou stranu, by tamní obyvatelé měli terminologii opačnou, pro ně by běžná hmota bylo to, co my nazýváme antihmotou.

Autor: RNDr. Vojtěch Ullman

http://astronuklfyzika.cz/

1 Trackback / Pingback

  1. VIDEO: Anihilace hmoty a antihmoty na vlastní oči | Nevšední svět

Komentáře nejsou povoleny.