Jak neutrina stvořila hmotu vesmíru

Drahý Time,

v prvním díle Tvé knížky jsme v kapitole o kvantové zoo zcela záměrně vynechali neutrina, protože už tehdy jsem si říkal, že si nechám něco do druhého dílu. A tak se nediv, že se jim obšírně věnuji, jenom připomenu, že to už je už třetí článek na toto téma, předchozí jsou „Jak lovíme neutrina a proč by bez nich nevznikl život“ a „Jak by vypadal vesmír bez neutrin“. Ukazuje se, že tahle částice, která je opravdu jako duch a velmi obtížně detekovatelná a o níž toho pořád mnoho nevíme, že tahle částice je pro vesmír vpravdě nepostradatelná. Dokonce natolik, že by bez ní vůbec nevznikla hmota ve vesmíru a zůstali bychom u záření.

Na začátku takový malý disclaimer - není to neprůstřelná hypotéza, není to teorie, ale zatím nic lepšího nemáme. Ale pojďme se podívat na celou věc od začátku. Ve vesmíru totiž krátce po velkém třesku panoval režim, kdy se vytvářeli z energie, tedy ze záření, páry částice a antičástice. Hezky 1:1. Je tedy pro nás velkou záhadou, proč všechno kolem nás je jenom hmota a kam se poděla všechna ta antihmota, která společně vznikala. Typický průběh byl, že se vytvořil pár částic a ten se vzápětí anihiloval zpátky na záření.

Aby mohla vůbec nějaká hmota vzniknout, musela v tomto procesu existovat nějaká asymetrie, něco, co říká, že se budou utvářet častěji částice než antičástice a tak postupně přebere hmota vládu nad vesmírem. Andrej Sacharov v roce 1967 formuloval podmínky, které musely být splněny, aby dnešní vesmír byl takový, jaký ho pozorujeme. Musela existovat takzvaná CP asymetrie, proces, ve kterém neplatí symetrie, když vyměníme pravou za levou a současně částici za antičástici. A muselo být narušeno baryonové nebo leptonové číslo a kromě toho musel celý proces probíhat mimo termodynamickou rovnováhu, aby to byl nevratný děj.

Celému problému se vědecky říká baryonová asymetrie vesmíru. V počátcích vesmíru, když ze záření vznikaly páry částic a antičástic, připadlo na 10 miliard párů částice a antičástice jenom jeden jediný případ, který to porušoval. Jenom jeden jediný případ, kde bylo více hmoty než antihmoty.

Vědci tedy začali hledat, která kvantová reakce by mohla být za toto zodpovědná. Američtí fyzikové James Watson Cronin a Val Logsdon Fitch dostali v roce 1982 Nobelovku právě za objev této CP asymetrie. Týkalo se to kaonů, jenomže toto chování nemohlo uspokojivě vysvětlit převahu hmoty nad antihmotou.

A jak už název odstavce vypovídá, hlavním podezřelým jsou leptony a té hypotéze se tak0 říká leptogeneze. O leptonech, tedy částicích, na které nepůsobí silná jaderná síla, jsem Ti už vyprávěl v tomto článku. Tehdy jsme se ale bavili jenom o elektronu, nikoliv o jeho hmotnějších bratrech, kterými jsou mion a tauon. A také nebyla řeč o neutrinech, které samozřejmě do rodiny leptonů také patří.

Logická otázka zde je, jak se poznají neutrina od antineutrin. U elektronu je to jasné, antičástice pozitron má kladný elektrický náboj, když se záporným elektronem potkají, puf a je z nich zase záření. U neutrin je to tzv. chiralita, tedy rozlišení na levotočivost a pravotočivost. A teď je tu matoucí věc. Elektron má v sobě chiralitu obou typů. A to zároveň. A díky Higgsovu poli, které vyplňuje celý vesmír, se chiralita elektronu při jeho pohybu Higgsovým polem mění z levé na pravou a zase zpátky. Takže kvůli Higgsovy to „drncá“ a elektron nemůže dosáhnout rychlosti světla. To proto, že kvůli Higgsovy má nenulovou klidovou hmotnost.

U neutrina je to ale jinak. To má pouze jednu chiralitu a to levotočivou. Ale chiralita není o tom, jak se částice pohybuje, ale o tom, do jakého typu slabé interakce pasuje. Tedy že levá ruka pasuje do levé rukavice. A příroda upřednostňuje levotočivost. Antineutrina jsou tedy pravotočivé. Což bylo fajn, kdyby neutrino nemělo klidovou hmotnost, protože jenom jedna chiralita nestačí k tomu, aby to „drncalo“ jako u elektronu. A přišli jsme na to díky jevu, kterému se říká oscilace neutrin.

Původní předpoklad Standardního modelu byl, že neutrino nemá žádnou klidovou hmotnost. Ale to se začalo poněkud komplikovat. Experiment Homestake už v 60. letech zjistil, že pozoruje jenom asi třetinu neutrin ze Slunce, které bychom podle teorie pozorovat měli. Říkalo se tomu Solar neutrino problem. A začalo se hledat, kde může být chyba. V teorii, v pozorování? V roce 1957 navrhl Bruno Pontecorvo, italský fyzik, žák Fermiho, že by neutrina mohla mít více podob, nebo správně příchutí. Podobně jako je eletron, mion a tauon, mohlo by být elektronové, mionové a taunové neutrino. A experiment Homestake byl schopen detekovat jenom ta elektronová.

Teď si určitě kladeš otázku, jestli náhodou to není tak, že Slunce produkuje 33% elektronových, 33% mionových a 33% taunových a žádná oscilace není. Jenomže v Slunci máme dobře ověřeno, že při reakci proton-proton:

p + p → d + e⁺ + νe,

vzniká právě elektronové neutrino. Na mion nebo tauon nemá Slunce dost energie. Navíc se třeba pozorováním neutrin z jiných zdrojů ukázalo, že jejich počet kolísá se vzdáleností od zdroje. V Sudbury neutrino observatory, v zařízení schopné detekovat všechny tři příchutě neutrin ukázali, že νe se mění na νμ a ντ. Už předtím pozorovali tzv. oscilaci atmosférických neutrin, tedy neutrin, vznikajících při srážkách atomů atmosféry s kosmickým zářením. Když je měřili po průletu skrze Zeměkouli v experimentu Kamiokande, už jich byl jiný počet, změnili počas letu svoji příchuť. Takaaki Kadžita a Arthur Bruce McDonald za tento výzkum dostali v roce 2015 Nobelovu cenu.

Teorie totiž praví, že pokud může neutrino oscilovat, musí mít minimálně jedna z jeho příchutí nenulovou klidovou hmotnost. To je rozdíl mezi původním předpokladem Standardního modelu a může to vést k fyzice za tímto modelem.

Podle teorie to byla tzv. sterilní neutrina. Jedná se o hypotetický typ částice, neutrino, které je pravotočivé a má energii asi 10^10 GeV. Oproti tomu je současný odhad pro neutrino < 0.45 eV. Rozdíl 16 řádů.

A právě tato sterilní neutrina měla při svém rozpadu porušovat CP symetrii. Mohla se častěji rozpadat na lepton a Higgse, než na antičástice a tak postupně vznikla převaha hmoty nad antihmotou. Ale jak jsem psal už v úvodu, je to hypotéza. Bohužel naše nejlepší urychlovače jsou daleko od energií sterilních neutrin, takže nemáme jak testovat pokus platnost této hypotézy. Nicméně ze všech hypotéz vzniku baryonové asymetrie se mi nejvíce líbí. A já vím, potřebujeme k tomu ještě sphalerony, což je další mezera, ale stejně se mi ta leptogeneze prostě líbí.