Neutron "zklamal", tajemství hmoty nejspíš nevysvětlí  
Patříme-li k zastáncům velkého třesku, mohli jsme námitku oponentů ohledně nepoměru hmoty a antihmoty odrážet vlastnostmi neutronu. Teď se nám to zkomplikovalo.

Elektrický dipólový moment – veličina popisující nerovnoměrné rozložení náboje v objektu. Elektrický dipól si zjednodušeně můžeme představit jako objekt, na jehož jednom konci je lokalizován kladný náboj a na druhém záporný.
Elektrický dipólový moment – veličina popisující nerovnoměrné rozložení náboje v objektu. Elektrický dipól si zjednodušeně můžeme představit jako objekt, na jehož jednom konci je lokalizován kladný náboj a na druhém záporný.

Stávající fyzikální znalosti nám říkají, že se při velkém třesku se tvořila hmota i antihmota v poměru „fifty fifty“. Jak ale víme, tak se hmota s antihmotou vzájemně zrovna moc nemusí. Navzájem se totiž ničí. Právě v tom je ale problém jelikož astronomové hlásí, že vesmír má přebytek hmoty nad antihmotou. Fyzikové zabývající se vlastnostmi neutronů nabídli vysvětlení. Baryonová asymetrie vesmíru by se podle nich dala vysvětlit vlastnostmi elektricky nenabitých elementárních stavebních kamenů atomů. Konkrétně jde o neutrony. Kdyby totiž měl neutron elektrický dipólový moment (EDM) s měřitelnou nenulovou hodnotou, mohlo by to být právě to, čím by se dal obhájit přebytek hmoty po velkém třesku.

 

Philipp Schmidt-Wellenburg. Kredit: PSI, Švýcarsko.
Philipp Schmidt-Wellenburg. Kredit: PSI, Švýcarsko.

Nějakou dobu o neutronu víme, že se chová jako magnetický kompas - reaguje na magnetické pole (magnetický dipólový moment). Pokud by neutron ale měl také elektrický dipólový moment, jeho hodnota by pochopitelně byla mnohem menší a pro nás je proto obtížně měřitelnou veličinou. Přesné změření by ale bylo trefou do černého, po níž astrofyzikové prahnou. Laicky řečeno, jde nám o to, zda neutron je také něco jako elektrický kompas a jak je silný. Ne, že by se o měření zjistit to, ještě nikdo nepokoušel, jen ty výsledky předchozích pokusů zatím jaksi moc vypovídací hodnotu nedaly.

 

Tentokrát vědci z Paul Scherrer Institute k měření elektrického dipólového momentu použili ultra chladné neutrony (neutrony s malou kinetickou energií). Popis polarizace neutronů pomocí supravodivého solenoidu zde. Na měření a vyhodnocování dat, se podíleli vědci z 18 ústavů a univerzit v Evropě i USA (především z ETH Zurich, University of Bern a University of Fribou).  Největším problémem měření se ukázalo být udržet místní magnetické pole konstatní. Porušovaly ho i takové věci, jako třeba  projíždějící kamion po vzdálené silnici. Všechny podobné vlivy zkreslující naměřemné hodnoty musely být v datech "zaretušovány". Proto také vlastní měření a zpracování výsledků zabralo spolupracujícím týmům déle než dva roky.

 

Schéma spektrometru kterým se zjišťuje elektrický dipólový moment. Nenulový signál se projeví jako posun magnetické rezonanční frekvence při působení elektrického pole. Podrobnosti zde. Kredit: Abel et al., 2020. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.081803#abstract
Schéma spektrometru, kterým se zjišťuje elektrický dipólový moment. Nenulový signál se projeví jako posun magnetické rezonanční frekvence při působení elektrického pole. Podrobnosti zde. Kredit: Abel et al., 2020.

Pokusy změřit elektrický dipólový moment lze označit také jako hledání „nové fyziky“, která by přesahovala tzv. standardní model. Prakticky o totéž se pokouší i týmy na zařízeních, jakým je Velký hadronový srážeč (LHC) v CERNu. Tam ale na to jdou spíše odhalováním nových částic a jejich vlastností. V případě PSI se místo na množství, soustředili vědci na jednu částici, zato mnohem více do hloubky jejích vlastností. Spoluautor studie Schmidt-Wellenburg výsledek několikaletého snažení komentoval slovy: „...hodnota pro EDM neutronu je příliš malá na to, aby šla změřit pomocí nástrojů, které byly dosud používány - hodnota je příliš blízko nule“.

 

Závěr

Naměřené hodnoty permanentního elektrického dipolového momentu neutronu (dn =(0.0±1.1stat ± 0.2sys) × 10−26 e.cm), činí méně pravděpodobným, že by neutron byl částicí, která by vysvětlovala přebytek hmoty. Stále však to ještě nelze zcela vyloučit, a tak vědci na letošek a příští rok již naplánovali ještě přesnější pokusy. Ty by již měly dát definitivní verdikt.

 

Literatura

C. Abel et al.: Measurement of the Permanent Electric Dipole Moment of the Neutron, Phys. Rev. Lett. 124, 081803, 28 February 2020

Datum: 29.02.2020
Tisk článku

Budoucnost lidstva - Kaku Michio
 
 
cena původní: 397 Kč
cena: 333 Kč
Budoucnost lidstva
Kaku Michio

Diskuze:

souvislost nEDM s asymetrií hmoty a antihmoty

Pavel Brož,2020-03-01 01:04:49

Z textu článku to moc nevyplývá, tak přidám jenom pár drobných informací ohledně souvislosti mezi elektrickým dipólovým momentem neutronu (nEDM) a asymetrií hmoty.

Úplně na začátku musím zdůraznit, že jde o měření tzv. permanentního elektrického dipólového momentu neutronu, nikoliv indukovaného elektrického dipólového momentu, který vzniká i u neutrálních složených systémů, jako jsou mezony a baryony (složené z kvarků), atomy (složené z elektronů a jader) nebo molekuly (složené z atomů). Permanentní a indukovaný elektrický dipólový moment se v principu od sebe dají experimentálně odlišit (např. tím že velikost toho indukovaného zpočátku roste s vnějším polem, pak dojde k jeho nasycení), u toho indukovaného ale hlavně umíme spočítat či odhadnout jeho velikost, samozřejmě na základě teorie, kterou je kvantová teorie.

Tím se dostávám ke druhé poznámce, a to, že velikosti těchto momentů musíme počítat či odhadovat na základě kvantové teorie, nevystačíme si s intuitivními klasickými představami. Tak např. na základě klasické intuitivní představy spolu se znalostí toho, že neutron je složen ze dvou kvarků d s elektrickým nábojem -1/3 a jednoho kvarku u s elektrickým nábojem +2/3 bychom snadno podlehli dojmu, že neutron může mít permanentní elektrický dipól, který může být způsoben eventuální vzájemnou asymetrickou polohou těchto tři kvarků. Jenže z kvantové teorie plynou důsledky, které z klasických úvah nelze získat. Kvarky jsou totiž fermiony, tudíž v základním stavu musí mít oba kvarky d opačný spin, tím pádem se jejich eventuální permanentní elektrický dipólový moment vyruší, protože podle kvantové teorie, pokud by existoval, musí mít stejný směr jako spin. Zbyl by tedy event. permanentní elektrický dipólový moment kvarku u. Protože kvarky jsou elementární částice, žádný permanentní elektrický dipólový moment by mít neměly. Použitím této jednoduché úvahy bychom tedy dospěli k závěru, že nEDM by měl být nulový.

Mimochodem, ze stejných důvodů dostaneme nulový permanentní elektrický dipólový moment pro helium - tam máme jedno jádro a dva elektrony, a stejně jako u neutronu nulový celkový elektrický náboj. Oba elektrony jsou v heliu v základním stavu s, což je sféricky symetrický stav s centrem v jádru, a v tomto stavu mohou dva elektrony být jenom proto, že mají opačné spiny - elektrony jsou totiž také fermiony, takže v jednom stavu může být maximálně jeden, pokud mají opačné spiny (tím pádem jsou v různých stavech), tak maximálně dva.

Pokud by tedy kvarky měly mít nulový permanentní elektrický dipólový moment, měli bychom ho očekávat nulový i u neutronu. Ony ho ale ve skutečnosti mají nenulový i podle Standardního částicového modelu, a to proto, že tento model obsahuje narušení CP symetrie, a dá se ukázat, že právě narušení CP symetrie může v principu vysvětlit narušení původní symetrie mezi hmotou a antihmotou, protože při narušení CP symetrie (kde C je od Charge, tedy náboj, myšleno ale ve smyslu náhrady hmoty za antihmotu a naopak) probíhají procesy přeměn částic s malilinko odlišnými pravděpodobnostmi pro částice a jejich antičástice.

Problém tedy netkví v tom, že by kvarky a tím pádem neutron neměli mít permanentní EDM, protože ho mají mít nenulový i podle Standardního modelu. Problém je v tom, že podle Standardního modelu vychází tento moment příliš malý, řádově 10^-31 e cm, kde e je náboj elektronu.

A teď přijde to hlavní, v čem spočívá smysl toho měření. Standardní model sice obsahuje narušení CP symetrie, a tím pádem i nenulový nEDM a také narušení symetrie mezi hmotou a antihmotou, ale to narušení CP symetrie je v něm natolik malé, že jednak předpovídá nEDM příliš malý (řádově zmíněných 10^-31 e cm), ale také díky malosti tohoto narušení neumí vysvětlit, že asymetrie mezi hmotou a antihmotou byla tak velká, že vedla ke vzniku pozorovatelného vesmíru. A nyní si opět nevystačíme s intuitivními úvahami, ale opět musíme spolehnout na teorii - ta nám říká, že pokud bychom si měli vystačit jenom s maličkým narušení CP symetrie, jaké je umožněno Standardním modelem, tak by vesmír byl mnohem řidší. A to o hodně řádů, tam, kde dnes vidíme nějakou galaxii, bychom měli vidět zhruba jednu hvězdu. Odhad, kolik hmoty se zanihilovalo s antihmotou děláme např. na základě relativního počtu reliktních fotonů k částicím - původních částic a antičástic totiž mělo být (zhruba) řádově tolik, jako těch reliktních fotonů. Odtud odhadujeme, že asymetrie mezi hmotou a antihmotou byla reálně taková, že na každou jednu miliardu částic antihmoty vznikala v procesech částicových přeměn jedna částice hmoty navíc. Jenže podle Standardního modelu by ta asymetrie měla být mnohem menší, na každých cca 10^20 částic antihmoty měla vznikat jedna částice hmoty navíc.

Takže už víme, že Standardní částicový model sice umožňuje asymetrii mezi hmotou a antihmotou vysvětlit kvalitativně, nicméně naprosto selhává kvantitativně. Také víme, že Standardní model dává předpověď pro nEDM cca 10^-31 e cm. Pokud bychom změřili, že nEDM je výrazně větší, třeba 10^-26 e cm, byl by to silný argument pro to, že Standardní model je třeba nahradit nějakou jinou teorií. Takovýchto kandidátů na náhradu Standardního modelu je celá řada, žádný se ale zatím nedokázal experimentálně odlišit od Standardního modelu. Tak např. supersymetrická rozšíření Standardního modelu dávají předpovědi pro nEDM právě až řádu 10^-26 e cm. Pokud by se nenulový nEDM takovéto velikosti spolehlivě prokázal, znamenalo by to pohřeb Standardního modelu a triumf teorií ho nahrazujících.

Bohužel se ale zatím takto velký nenulový nEDM neprokázal, protože citlivost současných experimentů je řádově těch 10^-26 e cm. Připravují se ale experimenty o dva řády citlivější, a ty buďto Standardní model pohřbí, anebo naopak pohřbí hodně jeho potenciálních následníků (přičemž zároveň ukáží, že možná bychom také měli poupravit své představy o vzniku hmoty v počátcích našeho vesmíru).

Odpovědět


Re: souvislost nEDM s asymetrií hmoty a antihmoty

Pavel Brož,2020-03-01 01:18:58

Vlastně když teď dodatečně pročítám ten svůj příspěvek, tak si uvědomuji, že jsem měl vzpomenout i další drobnost, a to, že u teorií obsahujících narušení CP symetrie plyne nenulový EDM u elementárních částic v důsledku kvantových fluktuací, které se počítají pomocí více-smyčkových Feynmanových diagramů. Opět je to věc, která nejde vůbec nijak popsat na základě klasické fyziky, musíme si vzít na pomoc kvantovou teorii pole.

Odpovědět

Neutron zklamal

Theodor Leitner,2020-02-29 23:22:34

Ja jsem sice zastance velkeho tresku, nebot jinak by nemohlo fungovat rozpinani vesmiru (ktere se ma dokonce zrychlovat) a tuto skutecnost povazuji za dostatecne dolozenou a prozkoumanou.
Jenze predstavy o velkem tresku jsou podle meho mineni chybne. Velky tresk nevzniknul z nejakeho minimalniho elemntu se singularnima vlastnostma. Pri takovem tresku nevznikla hmota a antihmota ktera by se navzajem nejak musela paralysovt. Proste antihmota pri velkem tresku nevznikla. Nedavno zde byl clanek pana Wagnera, kde vedec Václav Vavryčuk zpochybnoval vznik mikrovlnneho Hinetergrundstrahlung v dobe velkeho tresku. Urcite se tento vedec zamyslel nad difusnimi predstavami o tomto zareni, ktere mnoho veci nevyjasnuji a jsou jako slepa ulicka. Proste velky tresk se musel odehrat uplne jinak a prave vlastnosti mikrovlnneho zareni pozadi jsou jednim dukazem teto skutecnosti (ktere skutecne muselo vzniknout dusledkem velkeho tresku a pan Václav Vavryčuk se myli). Podobne jako Schränkung (neco jako krizeni) zareni za urcitych okolnoati. Kdyz nezname fyzikalni prubeh velkeho tresku (se zarucene chybnymi predstavami o "inflaci") a "odkud" a "proc" nema smysl uvazovat o asymetrii hmoty a antihmoty.

Odpovědět

Chybí základní sdělení,

Pavel Nedbal,2020-02-29 19:58:42

a to proč by měl elektrický dipólový moment mít vliv na asymetrii kreace hmoty/antihmoty!
Lze přece logicky předpokládat naprostou symetrii složení antineutronu vůči neutronu.
To, že by neutron mohl mít jak magnetický, tak elektrický dipólový moment, není nic proti ničemu, totiž neutron (obdobně jeho antičástice) obsahuje kvarky s nábojem, jeden u +2/3 a dva d -1/3.
Tím se samozřejmě náboj navenek vyruší, ale samotné náboje uvnitř nikoliv. Sice je asi poloha kvarků v neutronu nelokalizovatelná, ale v intenzivním elektrickém poli by mohla nastat nějaká polarizace. Bude ale asi problém dostatečně silné elektrické pole vygenerovat, protože vzhledem k rozměru neutronu jakkoli intenzivní vnější elektrické pole bude na rozměru průměru neutronu velmi slabé. Ale možná se přece jen vhodnou technikou dá něco změřit. Ale tu zásadní otátku, to jest proč by to mělo vést k asymetrii, neodpoví.

Odpovědět


Re: Chybí základní sdělení,

Florian Stanislav,2020-02-29 23:47:32

https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_electric_dipole_moment
Neutronnenulové) EDM je zapotřebí procesů, které porušují symetrii CP .
Je tam i schéma.
"Jelikož je neutron tvořen kvarky, je také náchylný k porušení (symetrie) CP vyplývajícím ze silných interakcí" .
https://en.m.wikipedia.org/wiki/CPT_symmetry

Odpovědět

Aj ja

Vladimír Bzdušek,2020-02-29 16:44:58

som mu to hovoril.

Odpovědět

A co pohybujici se neutron?

M Hejtmanek,2020-02-29 12:48:42

Vim o tom prd, ale pokud ma neutron magneticky dipol, neprodukuje pak pohybujici se neutron i elektricky?

Odpovědět

U Schererov

Vladimír Bzdušek,2020-02-29 07:23:35

mi pracuje potomok ako teoretický fyzik.

Odpovědět


Re: U Schererov

František Dobrota,2020-02-29 11:30:22

Dobře mu tak, měl se líp učit...

Odpovědět


Re: Re: U Schererov

Vladimír Bzdušek,2020-02-29 16:45:38

Aj ja som mu to hovoril

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni




Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace