Vesmír v první sekundě své existence

Je to o době, kdy vesmír existoval kratší dobu, než dokážou změřit jakékoli stopky na světě; kdy se spolu teprve začaly kamarádit kvarky – základní kameny protonů a neutronů; kdy byl vesmír menší než naše Země! Tak do energií, které panovaly v tomto období, si chce sáhnout přístroj, který svou konstrukcí nebude mít na světě obdoby. Large Hadron Colider (LHC), který by měl být v CERN, Evropském centru pro výzkum jaderné energie v Ženevě (v minulém čísle jsme připomínali 50. výročí jeho vzniku), zprovozněn v roce 2007 a bude schopen srážet částice při energiích 14 TeV. Tedy při energiích, které měl vesmír starý méně než miliontinu sekundy!

LHC je urychlovač částic, jehož cílem je dostat se experimentálně ještě více do nitra hmoty než dříve. Bude schopen proti sobě urychlovat nejen protony a srážet je při energiích 14 TeV, ale také jádra těžkých atomů jako olovo. Jejich srážkami by se mělo dosáhnout energií až 1150 TeV!

Napříč stoletím k LHC

Přesto je LHC jen dalším z kroků vědecko–technického rozvoje. Historie totiž začala již před sto lety, když bylo objeveno rentgenové a katodové záření, záření alfa a beta. Ale kde se vzalo? Měla tato různá záření s různými projevy stejný původ? A pokud ano, tak jaký?

Tyto základní otázky již byly samozřejmě zodpovězeny. Známe díky nim lépe nejen náš vesmír, ale fungují díky němu televizory, rádia, mobilní telefony, lékařské diagnostické přístroje. Všechny tyto lidské vynálezy jsou přímým důkazem, že naše teorie platí, fungují a jsou správná.

Přestože se píše už 21. století a v poznávání přírody jsme dosáhli hodně daleko, zůstává spousta otázek stále nezodpovězených.

Proč LHC?

Naše poznání vesmíru není ani zdaleka kompletní. Velká nevyřešená otázka leží například v tzv. Standardním modelu. Tato otázka má název „Higgsův mechanismus“ a může být odpovědí na to, proč mají částice hmotu a proč se hmoty různých částic liší. Ostatně považte, jak pozoruhodná otázka není dosud známa!
Podle Higgsova mechanismu je celý prostor vyplněn tzv. Higgsovým polem a interakcí s tímto polem získávají částice svou hmotu. Pokud by byla tato teorie správná, měl by LHC být schopný detekovat důkaz takové teorie – částici zvanou Higgsův boson.

Standardní model

Objevy za poslední století vytvořily přesný a dobře prověřený obrázek o tom, jaká je struktura hmoty ve vesmíru. Tato teorie se nazývá Standardní model částic a interakčních sil a vypovídá o tom, z čeho jsme složeni, jak na sebe tyto částice působí a jak drží pohromadě. Model obsahuje dvanáct druhů částic hmoty, čtyři druhy částic zprostředkovávající interakce a je úplným sjednocením toho, co o hmotě víme.
Standardní model je jednou z nejlépe testovaných teorií, která byla dosud všemi pokusy potvrzena. Přesto fyzikové nemají svůj obraz kompletní a zvláště hledání a popis fyziky za hranicí standardního modelu bude pro další desetiletí nesmírně důležité.

Supersymetrie

Elementární částice se seskupují a vytváří všechny známé struktury v přírodě i v celém vesmíru. Proton a neutron je složen ze tří kvarků, z nich jsou složeny atomy, z atomů molekuly, pak vznikají pevné i kapalné látky až nakonec obrovské hordy hmoty v podobě hvězd, galaxií a jejich klastrů. To vše funguje díky čtyřem základním interakcím, které jinak také nazýváme síly. Jsou jimi gravitace, elektromagnetismus, slabá jaderná síla a silná jaderná síla. Když byl vesmír mladý a mnohem více horký než nyní, byly tyto síly pravděpodobně jedinou. A pro dnešní fyziku je hledání tohoto sjednocení zřejmě největší výzvou. Dvě z těchto základních interakcí se podařilo sjednotit v sedmdesátých letech a vznikl tak popis tzv. elektroslabé interakce, tedy sjednocení elektromagnetismu a slabé jaderné síly. Jako velmi zajímavá se dnes jeví teorie tzv. Supersymetrie. Její podstatou je, že každá částice by měla mít svého „supersymetrického“ partnera. A tudy vede jedna z úvah nad možnostmi sjednotit i zbývající interakce do tzv. velkého sjednocení. Schopnosti LHC by měly být takové, že pokud je teorie Supersymetrie správná, měly by se v LHC tyto částice objevit a cesta ke sjednocení ostatních interakcí by mohla být zase o něco snazší a jasnější.

Antihmota

Víme, že každé částici je možno přiřadit antičástici. Proton má svůj antiproton, elektron má pozitron, i atom vodíku může mít svůj antiatom vodíku. Pokud bychom v jednom okamžiku nahradili všechny částice ve vesmíru jejich antičásticemi a pokud bychom se na takový vesmír podívali zrcadlově převráceně (toto je nutná podmínka!), neměli bychom poznat žádný rozdíl. Svět i jeho fyzikální procesy by se nám jevily ekvivalentní. Jenže ono tomu tak není. Důkazem je, že existujeme, a to díky momentu ve vývoji vesmíru, kterému se říká epocha, v níž se začala vytvářet hmota od záření. V čase, kdy byl vesmír starý pouhých 10-33 vteřin, začalo se od „kosmické polévky“ oddělovat záření. To díky chladnutí vesmíru. Vznikaly kvarky a antikvarky, které svou anihilací vytvářely fotony. Jenže vznik kvarků a antikvarků nebyl rovnoměrný. Na každou miliardu antikvarků a kvarků vznikal vždy jeden kvark navíc. Brzy byl kvarků významný přebytek a hmota začala přebývat. Víme tedy, že to zrcadlo, kterým bychom se na antihmotu dívali, by nebylo perfektní. A je zřejmé, že takový pohled do zrcadla na antihmotu bychom potřebovali. LHC by takovým zrcadlem být mohl a tudíž by měl poodhalit i tuto obrovskou otázku fyziky mikrosvěta. Výsledky LHC tak budou v otázce antihmoty nejtvrdší zkouškou pro Standardní model v historii. Teorie leží v tuto chvíli daleko před experimenty a nutno říci, že na LHC čekají vědci jako na smilování boží. Má totiž odpovědět na nejdůležitější otázky ve vývoji vesmíru i ve struktuře mikrosvěta. Je jisté, že dnes známé teorie buďto potvrdí, anebo vyvrátí. Ať už to bude jakkoli, jistě s sebou přinese i spoustu otázek nových.

Na co se ptáme?

LHC by měl odpovědět na tyto základní otázky:

  • Co je to hmota (víme jak ji měřit, ale stále nevíme, co to je)?
  • Jaký je původ částic s nenulovou klidovou hmotností (existuje Higgsův boson?)?
  • Proč mají různé částice různou klidovou hmotnost?
  • Mají neutrina skutečně nulovou klidovou hmotnost?
  • 95 % hmoty ve vesmíru není z hmoty. Z čeho tedy je zbytek vesmíru? (Je to quintessence – temná energie?)
  • Existují supersymetrické částice?
  • Je antihmota perfektním obrazem hmoty?
  • Existuje 10+1 rozměr prostoročasu? Platí teorie superstrun a M-teorie? Můžeme ostatní svinuté rozměry detekovat?

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *