V roce 1947 čítal seznam objektů mikrokosmu necelou desítku částic. Na své experimentální potvrzení čekala Pauliho předpověď neutrina a Diracova - Weylova předpověď několika antičástic. V následujících letech se seznam známých objektů zdvojnásobil a rychle rostl dále.

Podivné částice byly zpozorovány v roce 1947 na univerzitě v Manchesteru, při průchodu kosmického záření Wilsonovou mlžnou komorou. V komoře náhle končila dráha záporného pionu a nic viditelného z bodu jejího zániku nevycházelo. Záhadné však bylo, že několik centimetrů od místa zániku se objevovaly dvě dvojice drah nabitých částic ve tvaru dvou písmen V, s vrcholy směřujícími k bodu, kde zmizel pion. Měření hybností částic, které zanechaly tyto viditelné dráhy, vedlo k závěru, že v bodě zániku pionu vznikly dvě neutrální částice. Tyto částice se rozletěly různými směry a poté se každá z nich rozpadla na jednu kladně a jednu záporně nabitou částici. Celkový elektrický náboj byl tedy nulový jako před rozpadem.

Další studium ukázalo, že nově objevené částice jsou dvojího druhu. Jedny s vlastnostmi mezonů, rozpadající se na piony, druhé s vlastnostmi baryonů, rozpadající se na proton a záporný pion. První byly nazvány K-mezony (kaony) a druhé lambda-hyperony. Snímky s Wilsonovy mlžné komory ukázaly, že vznikají při srážce pionu s protonem:

pí[-] + p[+] --> K[0] + Lambda[0]

K[0] --> pí[+] + pí[-]

Lambda[0] --> pí[-] + p[+]

Jejich hojná produkce svědčila o tom, že K[0] a Lambda[0] vznikají působením silné interakce. Brzy po vzniku se obě nové částice zase rozpadly. Okolnosti tohoto rozpadu byly však podivné. Všechny zúčastněné objekty, K[0], pí, Lambda[0], p[+] jsou hadrony, tedy částice podléhající silné interakci. Ale obě vzniklé částice se rozpadly tak pomalu (řádově 10^-10 s), že je nebylo možné vysvětlit silnou, ale slabou interakcí. Proč však částice reagující na silnou interakci reagovaly jen na slabou interakci? Co dokázalo vyřadit silnou interakci? Ukázalo se, že při rozpadu podivných částic se porušuje zákon zachování nové, dosud neznámé veličiny, která byla nazvána podivnost. Protože silná interakce tento zákon dodržuje, nabízelo se vysvětlit jeho porušení působením slabé interakce.

Projděme se stručně sledem úvah, které vedly k zavedení fyzikální veličiny podivnosti. Ve všech pozorovaných případech vznikaly podivné částice po dvou. Pokud přijmeme tuto empirickou zkušenost jako pravidlo, můžeme zformulovat zákon zachování nějaké veličiny, která nesmí během procesu změnit svoji hodnotu. Stačí se například dohodnout, že vznikem kaonu se tato veličina o jednotku zvětší, zatímco se vznikem hyperonu tato veličina se o stejnou jednotku zmenší. Proto spolu s kaonem vzniká vždy hyperon, aby se hodnota této veličiny nezměnila. Kdyby vznikl pouze kaon nebo pouze hyperon, hodnota veličiny by se změnila. Nový zákon zachování byl na obzoru. Zbývalo tuto veličinu, zvanou podivnost, definovat. O to se pokusily nezávisle a úspěšně dva mladí fyzikové, Murray Gell-Mann (1929 - ?) a Katsuhiko Nishijima (1926 - ?). Připsaly každému hadronu určitou podivnost vyjádřenou celým číslem. Nukleon a pion nejsou podivné částice, proto mají podivnost rovnou nule. Kaony mají (například) kladnou podivnost, hyperony zápornou.

Vyjděme nyní z faktu, že mezony pí (piony) tvoří nábojový triplet (trojici pí[+], pí[0], pí[-]), zatímco nukleon tvoří nábojový dublet (proton p[+] a neutron n[0]). Zkusme zavést následující obecný požadavek. Všechny mezony vůbec mají být uspořádány v nábojových singletech, tripletech, kvintetech atd., mají tedy mít lichou multiplicitu. Baryony (mezi něž patří proton a neutron) by měly být nábojové dublety, kvadruplety, sextety atd., tj. měly by mít sudou multiplicitu. Tento požadavek je splněn především pro částice, z nichž byl odvozen: pro pion (nábojový triplet) a nukleon (nábojový dublet). Zbývá položit si otázku, zda se tímto pravidlem řídí také nově objevené podivné částice kaon K a hyperon Lambda.

Brzy se ukázalo, že podivné částice se řídí pravidlem právě opačným. K neutrálnímu mezonu K[0] byl nalezen kladně nabitý K[+], zatímco hyperon Lambda je nábojovým singletem. Mezon dubletem, baryon singletem, tedy právě opačně, než se původně očekávalo. I to lze považovat za důvod, proč tyto částice byly nazvány podivnými. Fyzikální veličina podivnost byla zavedena tak, že všechny dosud známé hadrony měly podivnost rovnou nule, kaony a hyperony měly podivnost nenulovou.

Takto zavedená veličina se všeobecně ujala a ukázalo se, že lze pomocí ní nejen vystihnout chování podivných částic ale také klasifikovat hadrony. V procesech vyvolaných silnou interakcí se podivnost vždy zachovává, nemění tedy svoji hodnotu. Jak podivnost, tak zákon jejího zachování byly brzy formulovány exaktními matematickými prostředky. Gell-Man a Nishijima stanovili pravidla pro nepodivné částice v tom smyslu, že mezony jsou uspořádány v lichých nábojových multipletech, baryony v sudých nábojových multipletech.

Mezon K (kaon) je nábojový dublet (K[0], K[+]), Baryon hyperon Lambda je singlet (Lambda[0]) a hyperon Sigma je triplet (Sigma[+], Sigma[0], Sigma[-]). Mezonům K je přiřazena podivnost +1, hyperonům Lambda a Sigma je přiřazena podivnost -1. Pokud vznikne mezon K s jedním z těchto hyperonů, celková podivnost je nulová. tabulka 10.

Podivné částice tedy vznikají z nepodivných částic působením silné interakce, která celkovou podivnost soustavy zachovává.

Po svém vzniku se podivná částice po velmi krátké době, řádově 10^-10 s rozpadne účinkem slabé interakce, která podivnost nezachovává. Příkladem jsou rozpady

K[0] --> pí[+] + pí[-]                      Lambda[0] --> p[+] + pí[-]

Gell-Mannova a Nishijimova teorie podivnosti se potvrdila. Předpověděla řadu nových jevů, které byly postupně ověřeny experimentálně. Skupina podivných baryonů se podstatně rozšířila. K singletu Lambda[0] přibyl triplet Sigma[+], Sigma[0], Sigma[-] s podivností -1, dublet Ksí[0] a Ksí[-] s podivností -2 a singlet Omega s podivností -3. Všechny podivné baryony dostaly společný název hyperony. K částicím byly brzy nalezeny antičástice, jejichž podivnost je právě opačná než podivnost příslušných částic.

V obecném případě je podivnost multipletu určena vzorcem

S = 2Q - B

kde S je podivnost, Q je střední elektrický náboj multipletu, B je baryonové číslo.

Zatímco vznik podivných částic se podařilo poměrně uspokojivě objasnit a úspěšně klasifikovat, kolem jejich rozpadu se objevovaly stále nové záhady. Mezony K překvapily fyziky svým chováním ještě několikrát. Ukázalo se, že při jejich rozpadu se nejen porušuje zákon zachování podivnosti, ale i další základnější zákony. Jevy provázející rozpad mezonů K donutil fyziky položit si fundamentální otázky po invarianci přírodních dějů vůči transformaci zrcadlením (transformace P), vůči nábojové transformaci (transformace C) a vůči změně toku času, tedy časové inverzi (transformace T).

Každodenní zkušenost nás přesvědčuje, že svět a jeho zrcadlový obraz nejsou stejné. Zrcadlením se levá strana mění v pravou a naopak. Pozorováním přírodních jevů můžeme snadno rozhodnout, zda se nacházíme ve světě původním nebo ve světě zrcadlově převráceném.

Přírodní děje se tedy zrcadlením mění. Otázkou je, zda se mění také tvar obecných přírodních zákonů. V klasické fyzice zrcadlení není na závadu. Těleso se bude pohybovat stejnou rychlostí v našem světě i v jeho zrcadlovém obraze, rotace planety změní svůj směr, ale moment hybnosti bude stejný. Teplota tělesa bude v zrcadlovém obraze stejná. Neporušují se žádné základní zákony klasické fyziky.

Proto mikrokosmos byl dlouho považován za zrcadlově symetrický. Asymetrie našeho světa je slučitelná s dokonalou symetrií fundamentálních zákonů přírody, protože může být způsobena náhodnými příčinami. První experimenty, které ukázaly na možnost, že mikrokosmos nemusí být totožný se svým zrcadlovým obrazem, spočívaly ve studiu mezonů K. Ukázalo se, že značné procento všech kaonů se rozpadá na dva piony, ale že je možný i rozpad na tři piony. Stav pionů je vůči zrcadlení invariantní, zatímco stav tří pionů zrcadlením přejde ve stav jiný. Rozhodující důkaz o narušení zrcadlové symetrie podala roku 1957 C.S. Wu (1913 - ?), který měřením zjistila, že z radioaktivních jader kobaltu vyletují elektrony ve směru spinu hojněji než proti němu. Jiným příkladem bylo později neutrino, jehož spin je natočen vždy proti směru jeho pohybu. Říkáme, že neutrino je levotočivé. Pravotočivé neutrino nebylo nikdy pozorováno.

Zrcadlovou asymetrii mikrokosmu způsobují pouze procesy vyvolané slabou interakcí. Proto dlouho unikala pozornosti fyziků. Ani silná, ani elektromagnetická interakce zrcadlovou symetrii neporušují.

Každá částice má svoji antičástici, s níž má stejnou klidovou hmotnost, spin, izospin a opačnou podivnost a všechny náboje (čísla). Otázkou tedy je, jak by se změnily přírodní zákony při nábojové transformaci, kdybychom zaměnili všechny částice za antičástice.

Ukázalo se, že při této transformaci se některé zákony poruší. Svět se antisvětu podobá, ale není s ním shodný, je rozlišitelný.

Nábojová a zrcadlová transformace působí ve světě jisté změny. V obou případech jde o malé změny. Objevila se myšlenka, zda by obě transformace mohly působit stejné změny. Neutrino je pouze levotočivé, antineutrino je pouze pravotočivé. Od jednoho k druhému přejdeme současným provedením zrcadlové transformace P (levotočivé za pravotočivé) a nábojové transformace C (neutrino za antineutrino). Pokud tato vlastnost platí obecně, mohl by svět být invariantní vůči složené transformaci CP, což je tzv. CP symetrie.

Tato myšlenka se objevila na několika místech ve světě téměř současně v roce 1957. Ale už o 5 let dříve se o ní můžeme dočíst u G.C. Wicka, A. Wightmana a E. Wignera, kteří ji nazývali "znepokojivou možností". V následujících letech se potvrdila téměř ve všech experimentech. První výjimku nalezli Val L. Fitch a James W. Cronin v roce 1964 při studiu neutrálních mezonů. Ukázali, že i transformace CP působí ve světě změny, ikdyž ještě značně menší než samotné transformace C a P.

Nakonec se symetrie přece jen našla, když se uvážila ještě časová inverze T. Významnou roli přitom sehrály opět neutrální mezony K.

Zákony mikrosvěta platí pro všechny částice stejně. Mezony však vytvářejí nepředvídané jevy a kombinace a staví pozorovatele zcela nečekaně před velmi obecné a hluboké otázky.

Bezvýhradně platí, že každá částice má svoji antičástici. Antičástice se od částice liší tím, že mnohé náboje (kvantová čísla) mění svoje znaménko. K těmto číslům patří elektrický náboj, baryonové číslo, leptonová čísla, podivnost.

Mezony se vyznačují tím, že z veličin, jimiž se může částice lišit od antičástice, mají nulové všechny náboje s výjimkou náboje elektrického. Neutrální mezony mají i tento náboj nulový. Neutrální kaon se od neutrálního antikaonu liší pouze podivností. Neutrální pion je zcela totožný s neutrálním antipionem. Pokud se setkají dva neutrální piony, mohou vzájemně anihilovat jako každá jiná částice se svojí antičásticí.

Baryony musí vznikat vždy s antibaryony, aby nebyl porušen zákon zachování baryonového čísla. Leptony musí vznikat s antileptony, aby nebyl porušen zákon zachování leptonového čísla. Při vzniku samotného mezonu se baryonové číslo nezmění, protože mezon má baryonové číslo nulové. Podobně je tomu i s oběma leptonovými čísly.

Neutrální pion pí[0] je pozoruhodný tím, že je totožný se svojí antičásticí. Neutrální kaon K[0] je ještě pozoruhodnější. Své antičástici se pouze podobá. Neutrální kaon a neutrální antikaon mají stejnou klidovou hmotnost (498 MeV), spin (0), izospin (1/2), baryonové číslo (0), leptonová čísla (0). Liší se pouze podivností. Neutrální kaon má podivnost +1, neutrální antikaon má podivnost -1.

K vlastnostem, jež mají společné, patří i způsoby jejich rozpadu. Nejčastěji se rozpadají na dva piony:

K[0] --> pí[+] + pí[-]                       anti-K[0] --> pí[+] + pí[-]

Vypráví se, že když se to v roce 1954 dověděl Enrico Fermi (1901 - 1954), položil velmi hlubokou otázku: Rozpadají-li se neutrální kaon a neutrální antikaon na tytéž koncové stavy, jaký je vlastně mezi nimi rozdíl? Situace se dále zkomplikovala, když se ukázalo, že kaony - a opět oba - se mohou rozpadnout i na tři piony a mnoha jinými způsoby. Odpověď na Fermiho otázku nebyla jednoduchá. Rozdíl byl velmi jemný a spočíval v různé hodnotě podivnosti, která se přesně nezachovává a mění s s časem. Tato změna podivnosti vede u kaonů k dalším dvěma jevům: k oscilaci a k regeneraci.

V roce 1974 byl objeven další mezon, který zahájil éru půvabných částic. Je označován jako J/psí a běžně je nazýván "mezon se skrytým půvabem". I tento mezon je totožný se svým antimezonem. V roce 1977 byl objeven mezon se skrytou krásou. Od 60.let 20.století je znám mezon se skrytou podivností, který je také totožný se svým antimezonem. Jeho podivnost je nulová a pouze skrytá, protože je složen z podivného kvarku a z podivného antikvarku, jak bude uvedeno dále.

Bylo již ukázáno, že v mikrosvětě dochází ke změnám způsobené zrcadlením (transformace P), při změně všech částic v antičástice (transformace (C) a při kombinované transformaci CP. Všechny tyto změny byly zjištěny experimentálně. Kombinovaná transformace CP působí změny mnohem menší než samotné transformace C a P.

Otázka po invarianci přírodních dějů při obrácení chodu času (tzv. časové inverzi, transformaci T) není jednoduchá. Dlouho nebyla vyloučena možnost, že subnukleární děje jsou časově vratné.

Při srážce dvou nabitých částic, například elektronů, se částice k sobě přiblíží, odchýlí a opět vzdálí. Časově obrácený děj vyhovuje také pohybovým rovnicím a lze jej v přírodě realizovat. Je-li srážka nepružná a tedy vznikne při ní nějaká nová částice, je děj rovněž vratný, ale s jeho inverzí budou problémy technického rázu, kdy je třeba příslušné částice dostat na stejné místo. Pravděpodobnost je nízká, ale děj není vyloučen.

Slabá interakce je však v podezření, že působí změny některých procesů při časové inverzi. Víme již, že působí změny při prostorovém zrcadlení (transformace P), při změně všech částic v antičástice (transformace C). Kombinovaná transformace CP ponechává procesy téměř beze změny. Z obecných principů, mezi nimiž zaujímá důležité místo teorie relativity, by měl být svět při transformaci CPT přesně invariantní. Je-li tomu tak, pak změny způsobené kombinovanou transformací CP by měly být odstraněny změnami vyvolanými časovou inverzí T.

Je ovšem i druhá možnost. Je možné, že se přírodní děje při časové inverzi T nemění. Pak by se musely ovšem měnit při současné transformaci CPT. Tuto možnost nelze zcela vyloučit. Lze jen konstatovat, že zatím všechny experimenty jsou konzistentní s přesnou symetrií CPT.

Styčné body mezi světem částic a světem antičástic, představované mezony, jsou dvojího druhu. Příkladem prvního je neutrální pion, který je totožný se svou antičásticí. Příkladem druhého je neutrální kaon, který se od své antičástice liší podivností, která se však obecně nezachovává, takže ji kaon během své existence nemá stálou. Určitou dobu může být neutrálním kaonem s podivností +1, určitou dobu neutrálním antikaonem s podivností -1. Podivnost tedy není stálá, ale osciluje mezi dvěma hodnotami. Ukázalo se, že vhodnější charakteristikou, než je podivnost, je chování kaonů při rozpadu. Jak neutrální kaon, tak neutrální antikaon se mohou rozpadat různými způsoby. Většinou se však rozpadají na dva nebo na tři piony. Rozpad na tři piony probíhá asi 600 krát pomaleji. Proto kaony, které se tímto způsobem rozpadají, existují asi 600 krát déle. Lze tedy kaonový a antikaonový systém rozdělit na dlouhožijící a krátkožijící složku (první označíme K[0;L] a druhou K[0;S]). Tyto kaony se odlišují také svým chováním při transformaci CP. Nemají však definovanou určitou hodnotu podivnosti, každý z nich představuje lineární superpozici stavů.

Představme si svazek neutrálních kaonů. Obsahuje dvě složky, K[0;S] a K[0;L], z nichž první se asi za 10^-10 rozpadne na dva piony. Druhá složka, která obsahuje neutrální kaony a antikaony, existuje ještě asi 50 ns a pak se rozpadne na tři piony. Během této doby může dojít ke srážce s protonem nebo atomovým jádrem. Tím se obě složky obnoví v původním poměru a následuje rozpad složky K[0;S] a poté znovu složky K[0;L]. Tento jev se nazývá regenerace krátkodobé složky.

Je možný i velice vzácný rozpad složky K[0;L] na dva piony. Objevili jej Val L.Fitch a James W.Cronin v roce 1964 a je důkazem toho, že slabá interakce skutečně porušuje invarianci vůči transformaci CP. Dnes tento efekt nemá výrazný význam, ale při vzniku vesmíru ovlivnil fundamentální asymetrii mezi hmotou a antihmotou a tím zřejmě podmínil naši vlastní existenci.

- pokračování -

(c) 1997 Intellectronics

časopis o přírodě, vědě a civilizaci