Proč je v našem vesmíru naprostá dominance hmoty a antihmota se zde vyskytuje jen výjimečně? Fyzikální zákony jsou přitom velmi často symetrické a invariantní vůči různým změnám. Není důvod předpokládat, že by tomu u antihmoty mělo být jinak. Samozřejmě, kdyby hmota nepřevládla, neexistovali bychom a nemohli bychom se na toto ptát. To je ale argument antropickým principem a ten obvykle moc relevantní není. Existuje však nějaký fyzikální důvod proč v našem vesmíru převládá hmota nad antihmotou? Na to se podíváme v dnešním článku.

Původ antihmoty ve vesmíru

Antihmota může vznikat také při pozemských bouřích.
Zdroj: https://www.sciencealert.com/

Ačkoliv by se to tak z předchozích slov a z minulého článku nemuselo jevit, antičástice vznikají v našem vesmíru poměrně běžně. A to všude tam, kde probíhají nějaké děje s vysokou energií. Antihmota tak může vznikat i v atmosféře Země, když vysokoenergetické kosmické záření dopadá na zemskou atmosféru a interaguje s částicemi vzduchu.

Částice antihmoty interagující s částicemi hmoty v okolí neutronové hvězdy.
Zdroj: https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/

Ve vzdálenějším vesmíru se pak může jednat o okolí černých děr a neutronových hvězd, u nichž vznikají relativistické výtrysky hmoty. Antihmotu lze najít také u explodujících supernov či při různých kosmických srážkách, ať už jde o srážky galaxií, kup galaxií nebo třeba hvězd. Vznik antičástic pak můžeme rozpoznat díky dvěma fotonům vzniklým při anihilaci elektronů s pozitrony.

Ne zcela pravděpodobná, avšak nikoliv nemožná, je i přítomnost celých objektů složených z antihmoty v pozorovatelném vesmíru. S ohledem na to, že se neočekává rozdíl fyzikálních charakteristik mezi hmotou a antihmotou, lze předpokládat obtížnou rozpoznatelnost případných galaxií či jiných objektů tvořených antihmotou od stejných objektů z běžné hmoty. Měly by totiž mít stejné chemické složení a tedy i stejná spektra.

Anihilace ukázaná na lidských tělech. Naštěstí žádné lidi z antihmoty neznáme.
Zdroj: https://miro.medium.com/

Možný způsob rozlišení by představovalo nalezení nějakých známek případné anihilace s částicemi okolního prostředí v kupách či nadkupách galaxií. Pokud by v našem vesmíru byly přítomny velké části tvořené antihmotou, měly by být detekovatelné pomocí stop po anihilaci, která by měla probíhat na rozhraní mezi standardní hmotou a antihmotou.

Antihmota by také mohla být ve významnějším množství obsažena ve velmi vzdálených galaxiích, vzhledem k bouřlivým událostem na samotném počátku existence našeho vesmíru. A konečně, značné množství antihmoty se mohlo stvořit, a velmi pravděpodobně také vytvořilo, na samotném počátku našeho vesmíru při velkém třesku.

Baryogeneze

Vzniklo při velkém třesku stejné množství hmoty i antihmoty?
Zdroj: https://d.newsweek.com/

Velký třesk jakožto první událost v historii našeho kosmu vytvořila veškerou hmotu, kterou vidíme nejen v pozorovatelném vesmíru, ale pravděpodobně i v mnohem větší části prostoročasu, která nám zůstává skrytá. Skutečnost, že nepozorujeme významné množství antihmoty je na první pohled poněkud překvapivá, ačkoliv při podrobnějším zamyšlení zase tolik šokující není. Pokud by totiž ve vesmíru vzniklo a dlouhodobě se udrželo stejné množství hmoty jako antihmoty, došlo by k hromadné anihilaci.

Po ní by ve vesmíru zbylo pouze záření, tedy fotony. A za takových podmínek vesmír nemůže hostit žádné složitější objekty, natožpak komplexní život jaký vidíme na Zemi. Nemělo by nás tedy překvapit, že jsme se vyvinuli ve vesmíru s jen minimálním množstvím antihmoty (alespoň v našem okolí). Nicméně to co jsme si právě řekli je slabý antropický princip, který je tautologií a není falsifikovatelný, nejde tedy o vědu v pravém smyslu.

Očekávaná nesymetrie mezi počtem částic hmoty a antihmoty vytvořená v důsledků fyzikálních procesů raného vesmíru.
Zdroj: https://aether.lbl.gov/

Takže proč není v našem vesmíru stejné množství hmoty jako antihmoty? Jistě musíme připustit i možnost, že nepoměr mezi hmotou a antihmotou existoval již na počátku času, při velkém třesku. Fyzikální zákony však obvykle bývají symetrické, proto se tato varianta celé řadě odborníků příliš nezamlouvá. Většinový koncensus říká, že při velkém třesku skutečně vzniklo přesně stejné množství hmoty i antihmoty. Teprve v průběhu vývoje vesmíru pravděpodobně došlo k narušení symetrie, což vedlo k převládnutí částic nad antičásticemi. Tomuto procesu říkáme odborně baryogeneze.

Co však k baryogenezi vedlo nikdo dosud přesně neví. Jde o jednu z velkých nezodpovězených otázek současné fyziky. Hypotéz existuje celá řada. Jisté je, že vzniklá nesymetrie musela být poměrně malá, což lze zjistit z poměru mezi počtem fotonů reliktního záření a baryony ve vesmíru. Dnes se má za to, že na 1 miliardu antičástic byla přítomna 1 miliarda a jedna částice. 1 000 000 000 částic i antičástic z původního množství tedy anihilovaly a z tohoto počtu zbyla pokaždé jen jedna částice běžné hmoty. Z této zbylé látky je stvořeno vše co vidíme kolem sebe – naše planeta a život na ní i veškeré svítící objekty na obloze.

Sacharovovy podmínky

Andrej Dmitrijevič Sacharov (1921-1989)
Zdroj: https://www.atomicarchive.com/

První, kdo se kosmickou baryogenezí vážně zabýval byl proslulý sovětský fyzik Andrej Dmitrijevič Sacharov, který je dnes znám spíše jako disident a bojovník za lidská práva. A to je trochu škoda. Rozhodně mu nelze upírat velké zásluhy v oblasti lidských práv, díky čemuž se i potkal se svou druhou ženu Jelenou Bonnerovou. Jejich manželství přineslo Sacharovovi potřebný klid a štěstí a bylo nesmírně šťastné a harmonické. Alespoň pokud můžeme věřit Jeleně, která jejich soužití komentovala: „Bylo to jako v pohádce. Spojily se dvě poloviny duše. Byla to absolutní shoda. Ve všem, od nejintimnějších až po celosvětové záležitosti.“

Přesto se dnes trochu zapomíná na Sacharova jako fyzika, což byla jeho hlavní oblast, v níž si připsal řadu pozoruhodných výsledků. Jedním z nich byla právě práce v oblasti baryogeneze. V roce 1967 totiž definoval tři podmínky, které musely být v raném vesmíru splněny, pokud měla převážit hmota nad antihmotou. Předně musí ve vesmíru existovat procesy narušující baryonové číslo, dále musí být narušena C a CP symetrie a konečně také musí probíhat procesy mimo tepelnou rovnováhu. Podívejme se nyní na každou z těchto podmínek poněkud podrobněji.

Andrej Sacharov a Jelena Bonnerova v roce 1971, krátce před svatbou.
Zdroj: https://uploads-ssl.webflow.com/

Baryonové číslo je kvantové číslo charakterizující kvarky, mezony a baryony. Pro kvarky nabývá hodnotu plus 1/3, pro antikvarky minus 1/3. Mezony jsou složeny z kvarku a antikvarku, proto je jejich baryonové číslo 0. Baryony jsou složeny je tří kvarků nebo ze tří antikvarků, jejich baryonové číslo je tedy plus 1 nebo minus 1. Částice, které nejsou složeny z žádných kvarků ani antikvarků mají baryonové číslo 0. Jak je dnes známo, tato fyzikální veličina se zachovává ve všech dosud prokázaných interakcích mezi elementárními částicemi.

Přesto dnešní teorie procesy porušující zachování baryonového čísla předpovídají. A to dokonce i standardní model částicové fyziky, kde taková řešení nalezl slavný nizozemský fyzik Gerardus t Hooft. Tyto procesy jsou v dnešním vesmíru extrémně nepravděpodobné. Nicméně v raném kosmu mohly probíhat naprosto běžně. Další procesy nezachovávající baryonové číslo předpovídají modely velkého sjednocení. Jedna se o hypotetické scénáře, které sjednocují elektromagnetismus, slabou a silnou jadernou sílu.

Diagram rozpadu protonu na pozitron a neutrální pí mezon
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Velké sjednocení počítá s procesy obsahujícími hypotetické intermediální bosony X a Y, díky nimž se mohou leptony přeměňovat na kvarky a naopak. Nejznámějším příkladem takového procesu je rozpad protonu, již několik desetiletí hledaný na několika experimentech po celém světě. Protony se podle předpokladů mohou rozpadat celou řadou způsobů, kupříkladu na pozitron a neutrální pion. Vzhledem k extrémně vysokým hmotnostem X a Y bosonu (10¹⁶ GeV) v dnešním kosmu tyto rozpady téměř neprobíhají a poločas přeměny protonu je nejméně 10³⁴ let. Proto jsou podobná pozorování možná jen díky velmi vysokému objemu částicových detektorů, které je hledají (obsahují obrovské množství vody, čili 10³⁴ nebo 10³⁵ protonů, takže k rozpadu nějakého jednoho protonu by mělo dojít poměrně často).

C, P a CP symetrie
Zdroj: https://www.universetoday.com/

Jenomže pouhé narušení zákona zachování baryonového čísla nestačí, neboť by stále mohlo dojít k tomu, že interakce produkující více baryonů budou vyváženy interakcemi produkujícími více antibaryonů. Výsledkem by tak byl opět vesmír s rovnováhou částic a antičástic. Je tedy potřeba narušení C symetrie, kde C je z anglického charge. Jde tedy o symetrii mezi hmotou a antihmotou.

Ani to však není dostatečné kvůli levotočivým a pravotočivým částicím, mohl by totiž být vytvořen stejný počet levotočivých baryonů a pravotočivých antibaryonů jako levotočivých antibaryonů a pravotočivých baryonů. Kvůli tomu musí být narušena i kombinovaná CP symetrie, kde C má stejný význam jaký je popsán výše a P je stranová symetrie. Pokud bychom tedy nahradili všechny částice antičásticemi a současně prohodili levou stranu za pravou, neměli bychom poznat rozdíl.

Již od 60. let víme, že C a P symetrie jsou skutečně ve standardním modelu narušeny. Dosti výrazně je totiž porušuje slabá jaderná interakce. A skutečně existují také procesy porušující kombinovanou CP symetrii. Jedná se o rozpady neutrálních kaonů a B mezonů. Nicméně všechny další dosud známé interakce CP symetrii zachovávají a pozorované narušení této symetrie se ani vzdáleně neblíží míře nutné k vysvětlení baryogeneze.

Na počátku byl vesmír v tepelné rovnováze, ta se však časem porušila.
Zdroj: https://lambda.gsfc.nasa.gov/

Pro vysvětlení přebytku hmoty nad antihmotou je však nutná ještě třetí podmínka, porušení termodynamické rovnováhy. Pokud očekáváte stejné obtíže jako u předchozích dvou bodů, rád vás vyvedu z omylu tím, že tato podmínka je skutečně v dostatečné míře splněna. Vesmíru na počátku vývoje skutečně byl ve stavu tepelné rovnováhy. Jenomže postupně se vesmír rozpínal a chladl, čímž se definovala termodynamická šipka času. Tepelná rovnováha se tedy skutečně porušila.

Co nám mohou prozradit kosmické sondy?

Sonda Wilkinson Microwave Anizotropy Probe.
Zdroj: https://space.skyrocket.de/

Pokud jde o Sacharovovy podmínky, pak nám naše vesmírné observatoře nejvíce pomohly při sledování splnění třetí z předpokladů nutných k baryogenezi, tedy porušení tepelné rovnováhy. To už víme, že se stalo a to dokonce v poměrně mladém vesmíru. K upřesnění těchto dějů výrazně pomohly sondy zkoumající reliktní záření, tedy záření, které se od látky oddělilo v době, kdy byl vesmír starý asi 380 000 let. Reliktní záření je pro fyziky velmi užitečné, neboť obsahuje informace o dějích probíhajících ve velmi mladém kosmu.

První sondy, jako byly americká COBE a sovětský přístroj RELIKT-1 na družici Prognoz 9 zejména zkoušely jak moc dobře můžeme reliktní záření pozorovat a upřesňovaly některé základní parametry. Nová generace sond, konkrétně americká WMAP a evropský Planck, už prozkoumaly reliktní záření mnohem detailněji a díky tomu mohly zjistit přesné charakteristiky našeho vesmíru dnes i v dávné minulosti. Díky nim víme o fyzikálních procesech probíhajících v raném kosmu celou řadu detailních informací a upřesnili jsme si tedy, že zde skutečně probíhalo množství dějů, které vedly k odchýlení od stavu tepelné rovnováhy.

Slavný neutrinový detektor Super-Kamiokande v Japonsku. V něm se mimo jiné také pátrá po rozpadu protonu.
Zdroj: https://physicstoday.scitation.org/

Ohledně dalších dvou Sacharovových podmínek nám spíše mohou pomoci pozemní laboratoře. Procesy narušující baryonové číslo se hledají na částicových experimentech. Nejběžnějším příkladem je hypotetický rozpad protonu, jenž narušuje baryonové i leptonové číslo. Prozatím jej neúspěšně hledají neutrinové experimenty po celém světě, zejména japonské Kamiokande a další jeho varianty.

Narušení základních symetrií ve slabé i silné jaderné interakci hledají opět spíše pozemní laboratoře. Nicméně neplatí to stoprocentně. CP symetrii by kromě slabé jaderné interakce měla narušovat i silná jaderná síla. To ale zatím pozorováno nebylo. Proč tomu tak je zatím nevíme a tato záhada se nazývá silný CP problém. Podle některých odborníků jde o nejpodceňovanější fyzikální problém.

Rentgenová observatoř Chandra
Zdroj: https://astrobiology.nasa.gov/

Možné vysvětlení navrhli Roberto Peccei a Helen Quinn, kteří předpokládali novou symetrii potlačující CP narušení v silné interakci. Jejich model předpovídá existenci nové částic zvané axion. Fyzikové po axionech již mnoho let pátrají, prozatím neúspěšně. Nedávno se do hledání zapojila i observatoř Chandra, která studovala supermasivní černou díru v galaxii NGC 1275. Žádné axiony nepozorovala, ale pomohla upřesnit naše představy o axionech a o tom, jakou mají axiony hmotnost a další parametry. Pokud tedy axiony vůbec existují.

Jiná řešení

Dosti naivní představa vesmíru a antivesmíru.
Zdroj: https://edgy.app/

Dříve se mělo za to, že správným řešením vysvětlením nedostatku antihmoty jsou velké oblasti našeho vesmíru, kde naopak dominuje antihmota nad hmotou. Hmota a antihmota by tak byly vzájemně odděleny do různých a vzájemně dosti vzdálených oblastí prostoročasu. Toto řešení má výhodu v tom, že nelze zdálky snadno rozlišit mezi objekty z hmoty a antihmoty, nicméně nevýhoda v podobě absence oblastí anihilace na hranicích hmoty a antihmoty jsme již zmínili. Dnes se má proto za to, že v pozorovatelném vesmíru neexistuje žádná oblast s dominancí antihmoty.

Realističtější představa vesmíru a antivesmíru, které vznikly ze společného velkého třesku. Co je vesmír a co antivesmír nechám na vašem uvážení.
Zdroj: https://www.pbs.org/

Máte-li rádi odvážnější varianty nebo jste příznivci sci-fi, mohl by vás zaujmout model zrcadlového vesmíru, který počítá s tím, že velký třesk by nemusel být jednostrannou událostí. Podobně jako se v přírodě tvoří páry částice a antičástice (zejména elektron – pozitronové páry), mohla by rovněž vesmír vzniknout v páru vesmír – antivesmír. V takovém antivesmíru by byla pochopitelně dominantní antihmota, podobně jako v našem vesmíru převládá hmota. Nicméně kvůli pravděpodobnostní povaze kvantové fyziky by nebyl přesným zrcadlovým obrazem našeho vesmíru.

Reliktní záření. Z něj lze o našem vesmíru zjistit celou řadu užitečných informací. Potenciálně třeba i to, zda existuje nějaký paralelní vesmír.
Zdroj: https://miro.medium.com/

Pokud by antivesmír skutečně existoval, měl by také singularitu ve velkém třesku, nicméně zatímco náš vesmír ji měl v minulosti a rozpíná se dopředu v čase, u antivesmíru by tomu bylo přesně naopak. Singularita by pro něj byla v budoucnosti a naopak by se rozpínal zpět v čase. Taková představa je velmi neintuitivní, svým způsobem však jen logicky navazuje na již známé práce některých fyziků, podle nichž je antihmoty prostě jen standardní hmota pohybující se zpátky v čase.

Důležité je, že tento fyzikální model lze, alespoň v principu ověřit. Opět tu na scénu vstupuje reliktní záření a jeho teplotní fluktuace, z nichž by mohlo jít hypotézu testovat. Prozatím není známo, zda může antivesmír vysvětlit všechny pozorované kosmologické aspekty našeho kosmu. Přinejmenším ale nabízí zajímavou možnost jak se vypořádat s temnou hmotou, neboť by pár vesmír a antivesmír vyprodukoval velké množství částic zvaných jako sterilní neutrina. A právě tento typ neutrin je jedním z nadějných kandidátů pro vysvětlení temné hmoty.

Jak nám pomůže kosmický výzkum?

Detektor AMS-02 umístěný na ISS.
Zdroj: https://ams02.space/

Jedním z důvodů, proč se domníváme, že v pozorovatelném vesmíru neexistují žádné velké oblasti tvořené antihmotou je to, že nevidíme jejich charakteristické stopy na částicovém detektoru AMS-02 umístěném na ISS. Ten je na oběžné dráze už více než 10 let, byla by proto velká náhoda, kdyby nenarazil na žádnou stopu po anihilacích na hranici oblastí mezi hmotou a antihmotou.

Exotičtější možnosti by, alespoň hypoteticky bylo možné testovat na reliktním záření. Důležité je sledovat změny oproti očekávanému stavu. Konkrétně by se mohly různé nekonvenční hypotézy projevit ve spektru reliktního záření či v jeho fluktuacích, tedy v tepelných odchylkách oproti průměru. Kromě toho lze v reliktním záření též hledat pravidelné obrazce buď ve tvaru kruhů či rovných linií, které by mohly značit přítomnost nějakého paralelního vesmíru.

LiteBIRD po technické stránce. Obrázek je sice staršího data, ovšem stále víceméně platný.
Zdroj: https://www.spiedigitallibrary.org/

Nicméně hledání již probíhá, ale zatím se nám nepodařilo žádné takovéto útvary, ani odchylky proti běžnému stavu najít. To neznamená nutně, že neexistují, ale mohou být velmi malé nebo slabé, zkrátka pod detekční možností současných přístrojů. Japonci na rok 2028 chystají start mise LiteBIRD, která je určena právě k průzkumu reliktního záření, respektive jeho polarizace. V oblasti výzkumu antihmoty a baryogeneze by tedy mohla přinést zajímavé výsledky.

Závěr

S rozvojem techniky i fyzikálních modelů a teorií se nám daří řešit další a další důležité fyzikální problémy. Tento trend se bezesporu nezastaví ani v dalších letech. Dovolím si nicméně odhadnout, že otázka převládnutí hmoty nad antihmotou v nejbližší době nebude vyřešena. Můžeme ale alespoň doufat v nějaké náznaky, které by nás mohly přivést na správnou cestu. Možná se konečně podaří najít rozpad protonu nebo axiony a naději můžeme vkládat i do zmíněné observatoře LiteBIRD. Na zásadní průlom si však patrně budeme muset ještě poměrně dlouho počkat.

Doporučené a použité zdroje

• AMS-02: https://ams02.space/

Zdroje obrázků

• https://d.ibtimes.co.uk/en/full/1493575/big-bang.jpg
• https://www.sciencealert.com/images/articles/processed/lightning-cloud_600.jpg
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/FVFCTKxkGonZQMJ8TzpgYi-970-80.jpg
• https://miro.medium.com/v2/resize:fit:426/1*wAqXJ4J8vPt2rLCsFTCFFQ.jpeg
• https://d.newsweek.com/en/full/795520/electric-field-imaging.jpg?w=1600&h=1600&q=88&f=b05748461dc78419e7e7eeec4f54457d
• https://aether.lbl.gov/bccp/Images/page_38_EarlyUniverse.gif
• https://www.atomicarchive.com/img/bios/sakharov.jpg
• https://uploads-ssl.webflow.com/5fa59418f129b3877929877d/60393c7060213b1beba2bee4_p6-slide-6.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b9/Proton_decay_GUT_simple.svg/1024px-Proton_decay_GUT_simple.svg.png
• https://www.universetoday.com/wp-content/uploads/2020/04/cp.png
• https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/suborbit/POLAR/cmb.physics.wisc.edu/tutorial/Big_Bang/CosmicTimeline.jpg
• https://space.skyrocket.de/img_sat/map__midex-2__1.jpg
• https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.2.20181004a/full/media/sizes/full/figure1.jpg
• https://astrobiology.nasa.gov/uploads/filer_public_thumbnails/filer_public/e8/fc/e8fc19cf-3783-4c7c-b6c6-2d756448ced3/chandra_hero.jpg__1240x510_q85_crop_subject_location-620%2C254_subsampling-2.jpg
• https://edgy.app/wp-content/uploads/2019/06/Mirror-Image-Theory-Suggests-Existence-of-an-Antimatter-Universe-970×545.jpg
• https://www.pbs.org/wgbh/nova/media/original_images/big-bounce.jpg
• https://miro.medium.com/v2/resize:fit:1200/1*Uzvq0XvVvnnJVE-3gHMJbA.jpeg
• https://ams02.space/sites/default/files/inline-images/AMS_with_Astronaut_1.png
• https://www.spiedigitallibrary.org/ContentImages/Proceedings/10698/106981Y/FigureImages/00003_PSISDG10698_106981Y_page_4_1.jpg