Denník N

Vedci skúmajú antihmotu, aby pochopili, prečo vesmír obsahuje niečo a nie nič

Ilustračné foto – TASR/AP
Ilustračné foto – TASR/AP

Medzi hmotou a antihmotou je malilinký rozdiel, ktorý spôsobil, že na každých 10 miliárd antičastíc vzniklo rovnako veľa častíc, a ešte zopár navyše. A táto trocha navyše prežila anihiláciu a dnes tvorí všetko, čo okolo seba vidíme.

Autor je fyzik

Veta z názvu článku znie prazvláštne, trochu ako kombinácia odborného žargónu a preháňania. Aj tak nejde o nezmysel, ale o zaujímavý výskum, na ktorom pracuje kolaborácia ALPHA v ženevskom CERN-e. Vysvetlime si, o čo ide.

Väčšina ľudí už počula o kvantovej mechanike. Nechajme teraz bokom všetky Schrödingerove mačky a iné zľudovené pojmy a pozrime sa rovno na jadro veci.

Rozdiel medzi klasickou a kvantovou mechanikou pripomína rozdiel medzi futbalovým ihriskom a šachovnicou. Kým hráči na futbalovom ihrisku môžu postávať hocikde, figúrky na šachovnici musia stáť na konkrétnom políčku (napríklad nie na hranici dvoch políčok).

Kým podľa klasickej mechaniky môže mať elektrón v atóme ľubovoľnú energiu, podľa kvantovej mechaniky sú povolené len niektoré hodnoty.

Rôzne políčka (a teda rôzne stavy častíc) majú rôzne energie, a keď sa figúrka (elektrón) medzi nimi presunie, rozdiel v energii vyžiari (alebo zachytí). Ak chcú vedci vedieť, ako vyzerá šachovnica, nemusia sa pozrieť do vnútra atómu – stačí im sledovať žiarenie, ktoré z neho vychádza (alebo v ňom mizne).

Schrödingerova rovnica

Poznať spektrálne čiary prvku – teda vedieť, aké svetlo z neho vychádza – stačí na to, aby sme o ňom vedeli všetko potrebné. Spektroskopia je tak jednou z najúspešnejších analytických metód vôbec.

Erwin Schrödinger dostal Nobelovu cenu za sformulovanie a vyriešenie rovnice opisujúcej atóm vodíka, čiže najjednoduchší možný prípad (jeden elektrón obiehajúci jadro tvorené z jedného protónu). Sú tieto výpočty ťažké? Podľa toho, akí presní chceme byť.

Napísanie Schrödingerovej rovnice a jej interpretácia sú geniálnym dielom, ktoré sme ešte stále úplne nespracovali. Následný výpočet však už taký ťažký nie je, bežne sa stihne počas jednej bakalárskej prednášky.

Výsledok, ku ktorému sa študenti dopracujú, je zoznam všetkých stavov, ktoré má elektrón v atóme povolené, plus energia, ktorú v nich má. Keď skočí elektrón z jedného stavu do druhého, môžeme ľahko spočítať energiu svetla, ktoré vyžiari.

Týmto sa však príbeh atómov neskončil, skôr sa iba začal. Schrödinger zanedbal prakticky všetko, okrem priamej interakcie medzi elektrónom a jadrom.

Ak začneme systém opisovať presnejšie, objavíme v ňom aj jemnú či hyperjemnú štruktúru. To znamená, že napríklad smer, ktorým je elektrón natočený, jemne zmení jeho energiu. Ak môžeme tento malý rozdiel zmerať, tak sa toho dokážeme o atómoch dozvedieť ešte oveľa viac.

Záhada antihmoty

Jemná či hyperjemná štruktúra sú vo fyzike známe dlhé desaťročia. Novinkou však je, že vedci začali skúmať hyperjemnú štruktúru nie hmoty, ale antihmoty.

Antihmota je niečo ako zrkadlový obraz bežnej hmoty. K zápornému elektrónu existuje kladný pozitrón, k ľavotočivému neutrínu existuje pravotočivé antineutríno.

Kým sú oddelené, správa sa hmota a antihmota rovnako. Keď ich spojíme, anihilujú sa, čiže sa zmenia na (prakticky) čistú energiu.

Princíp atómovej bomby spočíva v tom, že sa malá časť jadrového paliva premení na energiu – a zničí všetko v okruhu desiatok kilometrov. Pri anihilácii atómov a antiatómov sa na energiu zmení všetko – a následky si vo veľkom množstve radšej nechcime predstaviť.

Dobrou správou tak je, že vo vesmíre prakticky žiadna antihmota neexistuje. To málo, čo skúmame, musíme prácne vyrábať v laboratóriu. A toto je jedna z najväčších záhad vo fyzike. Ak sú si hmota a antihmota zrkadlovými obrazmi, čakali by sme, že pri veľkom tresku budú vznikať v pomere 1:1 a v rovnakom pomere sa postupne anihilujú (vyrušia sa) a vo vesmíre nezostane hmota, ani antihmota, len žiarenie.

Niečo stále chýba

Evidentne však vo vesmíre niečo zostalo, a to niečo tvorí všetky hviezdy, planéty, asteroidy, hmloviny – a aj nás. Uznávaná predstava je taká, že medzi hmotou a antihmotou je predsa len malilinký rozdiel, ktorý spôsobil, že na každých 10 miliárd antičastíc vzniklo rovnako veľa častíc, a ešte zopár navyše. A táto trocha navyše prežila anihiláciu a dnes tvorí všetko, čo okolo seba vidíme.

Čo spôsobilo ten kľúčový (malinký) rozdiel medzi hmotou a antihmotou, zatiaľ nevieme. Práve preto skúma kolaborácia ALPHA v CERN-e hyperjemnú štruktúru antivodíka.

Podľa štúdie, ktorá vyšla tento mesiac v časopise Nature, sa správa rovnako ako vodík, na niekoľko desatinných miest. Keď sa však podarí nájsť nejakú odlišnosť, pomôže nám to pochopiť, prečo vlastne vo vesmíre existuje niečo, namiesto toho, aby tam neexistovalo nič.

Dostupné z doi:10.1038/nature23446

[Tip na knihu: Věda podle abecedy od známeho popularizátora vedy, novinára českého Deníka N Petra Koubského.]

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na pripomienky@dennikn.sk.

Vesmír

Veda

Teraz najčítanejšie