Experiment CPT / autor: M.V. Romalis

Jedním z pilířů Einsteinovy speciální teorie relativity – takže i obecné – je tzv. Lorentzova symetrie. Někteří fyzici však mají snahy o stavbu teorií, které buď její porušení postulují, nebo naopak z nich toto porušení vyplývá. Jedna ze základních symetrií našeho vesmíru ale všem pokusům o sesazení z trůnu odolává už sto let.

Lorentzova symetrie říká, že fyzikální zákony mají stejný tvar z hlediska všech inerciálních pozorovatelů – to je těch pozorovatelů, kteří se vzhledem k sobě pohybují rovnoměrně a přímočaře. Jinými slovy, přírodní zákony jsou invariantní (neměnné) vzhledem k transformacím mezi takovými vztažnými soustavami. Ve vesmíru neexistuje žádná preferovaná soustava, všechny jsou rovnocenné, a neexistuje ani preferovaný směr.

Fyzici ctící hluboké symetrie vesmíru jsou přesvědčeni, že teoretické návrhy s porušenou Lorentzovou symetrií jsou chybné – a experimenty, nejen teorie, jim opravdu dosud dávají za pravdu.

Lorentzova symetrie úzce souvisí s jinou fundamentální symetrií kosmu, tzv. symetrií CPT. Zkoumání možného porušení CPT symetrie v laboratořích je klíčem k odpovědi na otázku, zda (ne)dochází k porušení té Lorentzovy.

Náboje, zrcadlo a obrácený čas

Pojem „symetrie“ odráží neměnnost tvaru/podoby nějakého systému, objektu, rovnice, zákonu atd. při určité transformaci. Například transformace „rotace kolem středu“ nic neudělá s kružnicí: ať s ní otáčíme o libovolný úhel, nijak se nezmění a vypadá jako na počátku.

„C“ ve zkratce CPT představuje nábojovou transformaci, kdy částice prohodíme za antičástice (tzv. nábojové sdružení), „P“ odpovídá paritě, tedy levo-pravé transformaci (zrcadlové zobrazení) a „T“ je transformací obrácení toku času.

Pak nás může zajímat, zda fyzikální zákony (jaké, ale zejména zda všechny) ctí odpovídající symetrie, zda jsou vůči zmíněným transformacím invariantní.

Dlouhotrvající fyzikální výzkum na tomto poli vedl k překvapivým objevům (jejichž autoři byli náležitě odměněni Nobelovou cenu za fyziku). Totiž ne všechny zákony jsou vůči těmto jednotlivým transformacím invariantní – ne vždy dané symetrie platí.

Například gravitace nebo silná jaderná síla jsou C-invariantní, tj. je zcela jedno, zda tyto interakce působí na hmotu nebo na antihmotu. Na druhou stranu fyzici při experimentech s částicemi zjistili, že slabá jaderná interakce už C-symetrii nectí.

Možná bychom přirozeně čekali, že fyzikální zákony by se měly řídit P-symetrií, tj. nic zásadního by se nemělo změnit, kdybychom vše kolem sebe přeuspořádali podle odrazu v zrcadle.

Jenomže P-symetrie neplatí vždy: Už v 50. letech 20. století se při pečlivých experimentech zjistilo, že jisté subatomární částice pravo-levou symetrii nedodržují. Totéž fyzici zjistili i u časové symetrie (T), ale také kombinované CP symetrie (částice zaměníme za jejich antičástice a vše levé zaměníme za pravé a naopak).

Jak se ukazuje, zmíněné tři symetrie platí pro fyzikální zákony jen tehdy, pokud spojí své síly – zkombinujeme-li je do jednoho „balíčku“ CPT. To znamená, že aby výsledky všech experimentů podaly po provedení zmíněných transformací stejné výsledky jako před transformací, musíme zároveň částice vyměnit za jejich antičástice, prohodit levou a pravou stranu a obrátit tok času (při experimentech tedy poslat částice jakoby pozpátku).

Co je ale důležité, CPT symetrie vyplývá z Lorentzovy symetrie. Kdyby nějaký experiment odhalil porušení CPT, jako domeček z karet by se sesypala i symetrie Lorentzova.

Lorentz a CPT v laboratoři

Jestliže by v našem vesmíru Lorentzova symetrie skutečně neplatila, znamenalo by to, že ve vesmíru existuje určité pole, které by bylo s to ovlivnit chování hmoty. Hmotu naštěstí můžeme detailně a s velkou přesností studovat v laboratořích (a experimenty opakovat) – a protože chování hmoty je řízeno mocí CPT symetrie, otevírá se nám experimentální okno, jak v sofistikovaných aparaturách hledat možné projevy porušení Lorentzovy symetrie.

Tým princetonských fyziků, které vedl Michael Romalis, si na tuto možnost teď posvítil. Fyzici hledali projevy dosud neznámého pole v rámci experimentů s atomy helia a draslíku – v tom většina z nás patrně nevidí žádnou přímou souvislost s povahou našeho časoprostoru a nejfundamentálnějšími principy vesmíru, nicméně za kouzly s aparaturami se skrývá hluboká fyzika.

Jak zní výsledek nového zkoumání? Jakékoli projevy porušení CPT a Lorentzovy symetrie opět nebyly nalezeny. Experiment v Princetonu byl navíc zatím tím nejpřesnějším svého druhu (detaily v článku níže).

Lorentz napříč vesmírem

Platnost Lorentzovy symetrie byla nedávno de facto potvrzena i pozorováním na kosmologických měřítkách. Vesmírný teleskop Fermi (dříve známý jako GLAST) v květnu 2009 do svých útrob lapil fotony – částice elektromagnetického záření – které vesmírem putovaly více než 10 miliard let.

Kdyby Lorentzova symetrie v našem vesmíru neplatila, na fotonech by se to podepsalo. Například smyčková kvantová gravitace, jež k porušení Lorentzovy symetrie vede, předpovídá, že fotony by do teleskopu měly padat ze zpožděním v závislosti na své energii, a to až v řádu minut. Tým fyziků z projektu Fermi (204 autorů) však ve společném článku žádné zpoždění fotonů neohlásil. Ani za více než 10 miliard let, co fotony táhly vesmírem, nezaznamenaly porušení Lorentzovy symetrie. O tomto pozorování, teorii strun, smyčkové gravitaci a Lorentzově symetrii více zde.

Celý článek princetonského týmu: J. M. Brown, S. J. Smullin, T. W. Kornack, and M. V. Romalis: New Limit on Lorentz- and CPT-Violating Neutron Spin Interactions

Více informací na toto téma obsahuje webová stránka Romalisovy skupiny: http://physics.princeton.edu/romalis/