Jednym z fundamentów współczesnej fizyki teoretycznej pozostaje założenie, że co do zasady cząstki elementarne, pola kwantowe i związane z nimi oddziaływania poddają się trzem typom symetrii, oznaczanym literami CPT. Najświeższy i najdokładniejszy dotąd test tej teorii przeprowadzili polscy naukowcy związani z Uniwersytetem Jagiellońskim oraz Laboratorium J-PET, czym pochwalili się na łamach Nature Communications.
Temat pozostaje mocno abstrakcyjny, jednak w pewnym uproszczeniu CPT możemy potraktować, jako wielkie zwierciadło dla całego wszechświata, w którym po odwróceniu trzech zestawów wartości, ewoluowałby on podobnie do oryginału. Litera C oznacza tu odbicie ładunkowe, czyli przestawienie wszystkich dodatnich ładunków elektrycznych na ujemne, a ujemnych na dodatnie. Cząstki materii stają się antycząstkami, a antycząstki cząstkami. Litera P odnosi się do transformacji parzystości lub po prostu odwrócenia współrzędnych w przestrzeni. Lewa strona zamienia się z prawą i odwrotnie. Z kolei symetria T dotyczy odwrócenia kierunku upływu czasu. Pozwala zamienić w równaniu warunki początkowe z końcowymi i zachować spójność otrzymanych wyników.
Od lat 50. ubiegłego stulecia (i doświadczenia Chien-Shiung Wu) wiemy, że choć symetria CPT na ogół się sprawdza, bywa naruszana, a każde takie naruszenie ma przemożny wpływ na strukturę fizycznej rzeczywistości. Prawdopodobnie to jedna z tych “drobnych” niedoskonałości sprawiła, że w pierwszych chwilach istnienia wszechświata – kiedy wypełniały go równe ilości materii i antymaterii – ta pierwsza okazała się odrobinę trwalsza i nie uległa anihilacji.
Z tego powodu, mimo upływu dekad, teoria CPT pozostaje poddawana kolejnym, coraz bardziej rygorystycznym sprawdzianom. Najnowszy artykuł pod tytułem Dyskretne symetrie testowane z precyzją 10-4 przy użyciu polaryzacji liniowej fotonów z anihilacji pozytonów został opublikowany 2 stycznia tego roku. Prezentuje on wyniki eksperymentu przeprowadzonego w krakowskim Laboratorium J-PET, przy użyciu innowacyjnej metody zaproponowanej przez kierownika Zakładu Fizyki Jądrowej UJ, prof. Pawła Moskala.
Fizycy wzięli pod lupę pozytronium – egzotyczny układ elektronu i pozytonu, który przez króciutką chwilę tworzy coś na kształt atomu (tyle że bez… jądra atomowego). Pozytronium traci stabilność po najdalej kilkuset nanosekundach, anihilując z emisją fotonów. Zespół prof. Moskala wychwytywał te fotony, analizując ich polaryzację za pomocą specjalnego pozytonowego tomografu emisyjnego J-PET. Co ciekawe, sam sprzęt został skonstruowany jako prototyp niedrogiego skanera służącego do obrazowania ludzkiego ciała i lokalizowania zmian chorobowych.
W artykule czytamy, że jest to pierwszy równoczesny test symetrii P, T i CP wykorzystujący “korelację kątową pomiędzy pędem jednego z fotonów z anihilacji a płaszczyzną polaryzacji innego fotonu z anihilacji”. Autorzy podkreślają przy tym, że ich metoda jest trzykrotnie dokładniejsza od dotychczasowych, co czyni nowy pomiar najdokładniejszym na świecie – przynajmniej jeśli chodzi o zachowanie symetrii CP w kontekście anihilacji elektronu z pozytonem.
Zgodnie z Feynmanowską elektrodynamiką kwantową (QED) rozpad pozytronium powinien respektować wszystkie trzy symetrie z dokładnością do 1 części na 1012. Wynik uzyskany przez Polaków pozostaje zgodny z tymi oczekiwaniami na poziomie 0,0007, co może wskazywać na brak naruszeń symetrii CP.
To ważny wynik, jednak samodzielnie nie stanowi ostatecznej odpowiedzi na pytanie o przewagę materii w kosmologicznej batalii nad antymaterią. Po pierwsze dlatego, że eksperyment testował symetrię jedynie w określonym kontekście (a wiemy, że np. w przypadku oddziaływania słabego parzystości z całą pewnością nie są zachowywane). Po drugie natomiast, nadwyżka materii pod koniec ery leptonowej była mikroskopijna i według niektórych modeli wynosiła mniej niż jeden do dziesięciu miliardów (10-10). W takim przypadku hipotetyczne naruszenia CPT wciąż mogą kryć się poza granicą precyzji współczesnych eksperymentów.
Niemniej metoda zaprezentowana przez Polaków – z uwagi na swoją dokładność, potencjał, ale też stosunkową niskobudżetowość – zasługuje na uwagę i dalszy rozwój. Jak zauważają autorzy: “nowy wynik można jeszcze poprawić, stosując wprowadzone tutaj metody wraz z ulepszeniami detektora J-PET”.
Oryginalną publikację Discrete symmetries tested at 10−4 precision using linear polarization of photons from positronium annihilations znajdziecie na stronie Nature Communications. Jeżeli natomiast temat was zaciekawił, dajcie znać w komentarzu – być może prof. Moskal zgodzi się na mały wywiad.
