Hmota vs. antihmota: Fyzikové našli klíčový mechanismus nerovnováhy

Není to až tak dávno, kdy jsme se v jednom z našich "vesmírných" článků zmínili o tom, že antihmota je v jistém smyslu zrcadlovým protějškem běžné hmoty. Zatímco atomy, které známe, se skládají z protonů, neutronů a elektronů, antihmota obsahuje jejich opačné verze: antiprotony a pozitrony (antielektrony). Když se částice hmoty a antihmoty setkají, vzájemně se anihilují, čili zaniknou za uvolnění energie.

Pokud by tedy vesmír skutečně začínal s dokonale symetrickým poměrem hmoty a antihmoty, mělo by to jistě drastické důsledky. Struktury, které dnes považujeme za samozřejmé (galaxie, hvězdy, planety, ale i naše vlastní těla) by nemohly držet pohromadě z elementárních částic. Vše by se v podstatě vyrušilo krátce po svém vzniku. Přesto tu jsme. A tady přichází ta zajímavá úvaha, že někde v raném vesmíru muselo dojít k porušení této rovnováhy.

Záhada asymetrie hmoty a antihmoty

Tento problém, známý jako asymetrie hmoty a antihmoty, patří k největším nevyřešeným otázkám fyziky. Vědci už desítky let pátrají po mechanismu, který by vysvětlil, proč dnes pozorujeme vesmír tvořený téměř výhradně hmotou.

Jedním z novějších a poměrně odvážných návrhů přichází od Nikodem Poplawski. Ten přichází s myšlenkou, že významnou roli mohly sehrát takzvané primordiální černé díry - o nichž nepochybně také již byla řeč.

Nicméně pro připomenutí, primordiální černé díry jsou konceptuální objekty (jejichž existence je zatím nepotvrzená), které by vznikly velmi krátce po Velkém třesku v důsledku extrémních hustotních fluktuací v raném vesmíru. Rozhodně nejde by nešlo o běžné černé díry, které vznikají kolapsem hvězd, ale o mnohem starší a exotické objekty. Zajímavé je, že se o nich uvažuje také jako o možných předchůdcích supermasivních černých děr, které dnes nacházíme v centrech galaxií - např. Sagittarius A.

Zdroj: Shutterstock

Myšlenka: antihmota je snazší kořist

Popławského teorie stojí na relativně jednoduché, ale elegantní úvaze. Uvádí, že mezi hmotou a antihmotou může existovat drobná hmotnostní asymetrie. Za takových okolností by částice antihmoty byly o něco těžší než jejich protějšky z běžné hmoty.

To má citlivý důsledek. V raném vesmíru, kdy vznikaly páry částice-antičástice, by těžší antihmotné částice měly nižší rychlost než lehčí částice hmoty. A zrovna rychlost má silnou významnost při gravitačním zachycení.

Čím pomalejší částice je, tím větší je pravděpodobnost, že ji zachytí gravitační pole černé díry. Řekněme, že primordiální černé díry by lovily antihmotu efektivněji než hmotu, což by způsobilo pohlcení části antihmoty těmito černými dírami, zatímco zbylá část by se anihilovala s hmotou. To by vedlo k současnému stavu, který je nám znám. Oním stavem se rozumí drtivá převaha hmoty ve vesmíru.

Bez porušení známé fyziky

Zajímavé na této teorii je, že se snaží vysvětlit asymetrii bez nutnosti zavádět zcela novou fyziku mimo rámec Standardní model částicové fyziky. Mnoho jiných hypotéz totiž často předpokládá existenci dosud neznámých, teoretických částic nebo interakcí.

Popławski naopak pracuje s tím, co už známe, a pouze předpokládá jemné rozdíly ve vlastnostech hmoty a antihmoty. Zároveň jeho model neporušuje zákon zachování baryonového čísla, což je důležitý princip ve fyzice elementárních částic.

Je zde nečekaná souvislost s novými pozorováními

Tato teorie by mohla pomoci vysvětlit ještě jednu záhadu, která v posledních letech zaměstnává astronomy. Díky vesmírnému dalekohledu Jamese Webba se totiž podařilo pozorovat supermasivní černé díry už přibližně 500 milionů let po Velkém třesku.

To je překvapivé odhalení, jelikož podle dřívějších představ měl vznik takových objektů (prostřednictvím akrece hmoty a slučování menších černých děr) trvat minimálně miliardu let. Jak tedy mohly vzniknout tak rychle?

Pokud by primordiální černé díry skutečně pohlcovaly velké množství antihmoty, mohly by výrazně zvýšit svou hmotnost už v raných fázích vesmíru. Získaly by tím čas, který by jim umožnil vyrůst do supermasivních rozměrů mnohem dříve, než se v rámci podobných výzkumů předpokládalo.

Je zde ještě spoustu otazníků a chybějících dílků

Navzdory své eleganci zůstává tato hypotéza výhradně spekulativní. Hlavní problém této oblasti je, že zkrátka primordiální černé díry dosud nebyly jednoznačně pozorovány. Poprvé je navrhl Stephen Hawking už v 70. letech 20. století, ale přímý důkaz jejich existence stále chybí.

Budoucí výzkum by se tak mohl zkusit opřít například o detekci gravitačních vln nebo neutrin, které by mohly nést stopy těchto exotických objektů. Další možností jsou experimenty zkoumající, zda se hmota a antihmota skutečně liší ve svých vlastnostech více, než dnes dokážeme změřit.

Zajímavé je, že některé experimenty už naznačují drobné rozdíly v chování částic a antičástic. Například v rychlosti rozpadu mezonů a antimezonů. Tyto náznaky jsou zatím velmi opatrné, ale mohly by časem přispět k tomu, abychom pochopili hlubší asymetrie ve vesmíru a pořád jen nepředkládali teorie sem, teorie tam.