Uvod

U ovom članku pokazat ćemo kako se iz težnje da se očuvaju fizikalne simetrije razvila ideja zrcalnog svijeta, odnosno paralelnog svemira; svemira koji je sastavljen od zrcalnih čestica, smješten u našem prostoru i koji vrši interakciju sa našim svemirom. Zvuči kao nekakav loš science fiction, a ne kao fizika, zar ne? Daleko od toga. Krenimo na povijesno putovanje da saznamo kako smo došli do zrcalnim svjetova. 

Paritet i zrcalne simetrije

Nakon što je Dirac ujedinio kvantnu mehaniku sa specijalnom teorijom relativnosti, te nakon što je uspostavljena kvantna elektrodinamika, teorija čestica se počela razvijati strahovito brzo, a nove čestice kao i fundamentalni zakoni su ispadali kao iz šešira. Kao jedno od fundamentalnih svojstva prirode bio je i paritet. Poznato je da se desno orijentirane stvari lako mogu konvertitati u lijevo orijentirane zrcaljenjem. Međutim, matematički je to malo nezgodno, pa se uzima prostorna inverzija, odnosno svakoj koordinati se pridruži negativni predznak. Takva operacije može se zamisliti kao da objektu načinimo zrcalnu sliku, a zatim tu sliku rotiramo za 180 stupnjeva (npr. uzmite rukavicu i invertirajte je da je izvučete iznutra vani). Upravo takva operacija naziva se paritet. Međutim refleksija i rotacija su trivijalne stvari, ovisne o tome kako mi postavljamo sustav, i zakoni fizike bi trebali biti neovisni o tome, te su svi eksperimenti pokazivali da to i jeste slučaj. Npr. gravitacija između dva tijela ovisi samo o udaljenostima među njima, ukoliko kraj Zemlje i Mjeseca stavimo ogromno zrcalo, ništa se bitno na toj slici ne bi trebalo promijeniti pošto je udaljenost između ta dva tijela i u zrcalnoj slici ostala ista.

Paritet se, dakle, upotrjebljava da se opiše simetrija između lijeve i desne strane. 1924. godine njemačko – američki fizičar Otto Laporte zaključio je da su valne funkcije atoma parne ili neparne, ovisno o simetriji; kada atom prijelazi iz jednog stanja u drugo, foton se emitira, a valna funkcija se mijenja iz neparne u parnu i obratno. Parne funkcije imaju paritet +1, a neparne -1, dok foton ima paritet -1. Od tu je proistekao i zakon o očuvanju pariteta u kvantnoj mehanici! Ukoliko je početno stanje, dakle početna funkcija bila parna (+1), a konačna neparna (-1), a foton ima neparan paritet (-1), tada je konačan paritet sistem (-1)*(+1)*(-1)=(+1) što odgovara početnom stanju. Ako bi početna valna funkcija bila neparna, zakon očuvanja pariteta bi se opet održao. 1927. mađarsko – američki teorijski fizičar i nobelovac Eugene Wigner pokazao je da je Laproteovo pravilo posljedica puno dublje simetrije: zrcalne simetrije elektromagnetske sile.

Theta tau zagonetka

1949. godine britanski fizičar i nobelovac Cecil Frank Powell primijetio je česticu koja se raspada na tri piona i nazvao je tau mezon. Zatim je otkrio česticu koja se raspada u dva piona, što je nazvao theta mezon. Obe se čestice raspadaju slabom silom. Međutim, mjerenja su pokazala da su masa i život te dvije čestice iste – svojstva su govorila da je riječ o istim česticama. Ali ukoliko bi te čestice bile iste, onda bi one kršile paritet! Pošto je paritet piona (-1), u prvom slučaju gdje se tau mezon raspada u tri piona, paritet je: (-1)*(-1)*(-1) = (-1), a u slučaju theta mezona paritet je (-1)*(-1) = (+1). Dakle, tau bi trebao imati paritet (-1), a theta (+1), te ne bi smjele biti iste čestice, a sva svojstva pokazuju da jesu. Ovaj problem je poznati i kao theta – tau zagonetka, a rješenje iste bilo je revolucionarno.

Slomljena simetrija

U Junu 1956. urednik Physical Reviewa primio je kratak papir mladih kinesko – američkih teorijskih fizičara  Chen NIng Yanga (33 godine) i Tsung Dao Leea (29 godina) u kojem je dvojac postavio pitanje očuvanja pariteta u slabim interakcijama, te predložio eksperiment s kojim bi se to moglo provjeriti. Zanimljivo je primijetiti da je tome prethodilo ključno pitanje koje je Richard Feynman poznati američki fizičar i nobelovac, postavio u aprilu 1956. godine na Rocherster konferenciji: „Je li moguće da paritet nije očuvan?“ Štoviše, Feynman je stavio 50 dolara u okladi sa prijateljem da paritet nije očuvan.

To je bilo vrlo šokantna teza s obzirom da je postojao velik broj eksperimenata u kojima je paritet bio očuvan, međutim, dvojac je primijetio da nijedan od tih eksperimenata nije povezan sa slabom interakcijom te je pretpostavio da je paritet upravo narušen u slaboj interakciji! Eksperiment koji su predložili bio je sljedeći: odaberimo jezgru koja ima spin i koja emitira elektrone (beta raspad, op.a). Usmjerimo velik broj takvih jezgara tako da im spin bude u istom smjeru – recimo u smjeru obrnuto od smjera kazaljke sata. Izbrojmo broj elektrona emitiranih dolje i gore. Jedino ako je ovaj broj jednak, eksperiment sa zrcalom će dati istu sliku i paritet će biti očuvan. Ali ukoliko postoji nejednakost između broja elektrona koji idu gore i dolje, imat ćemo problem! Objasnimo to detaljnije.

Na slici je prikazana jezgra kobalta (plavi elipsoid) kod koje su spinovi nukleona  (spin je intristično svojstvo čestice, može se zamisliti kao vrtnja oko vlastite osi, što je naravno krivo, ali katkada korisno) u istom smjeru, te se vrši emisija elektrona. Ispred naše jezgre je postavljeno zrcalo. Jezgra u zrcalu je promijenila smjer vrtnje, ali je smjer beta čestica ostao isti. Sada rotirajmo sliku u zrcalu za 180 stupnjeva i ukoliko se vratimo na isto stanje, paritet je očuvan. Vidimo da će se spin vratiti na prvotno stanje, ali će emisija elektrona biti u obratnom smjeru, te nećemo imati istu sliku koju smo imali na početku eksperimenta, što nam je bio uvjet da je paritet očuvan. Da je emisija elektrona bila jednaka u oba smjera, takav problem ne bismo imali jer se ne bi mogle razlikovati slike jezgre prije i nakon vršenja operatora pariteta (zrcaljenje+rotiranje). Kako bi to provjerila Chien-Shiung Wu, kinesko – američka eksperimentalna fizičarka, tada zaposlena na Sveučilištu u Kolumbiji, ohladila je kobalt-60 blizu apsolutne nule (0.003K, s čime je iz igre izbacila termičko gibanje atoma) i stavila ga u magnetsko polje tako da se spinovi nukleona izravnaju u smjeru magnetskoga polja. Kako je kobalt-60 radioaktivan, on konstantno emitira beta čestica (elektrone) i gama zrake; ukoliko je paritet očuvan, elektroni bi se trebali emitirati jednako u svakom smjeru u odnosu na os spina.

Mjereći intezitet elektrona u smjeru i obrnuto od smjera magnetskoga polja pokazala je da se elektroni više emitiraju u jednom smjeru, čime je paritet bio narušen, a tvrdnja Yanga i Leea dokazana. To je značilo da, iz nekog razloga, slaboj interakciji nije svejedno je nešto lijevo ili desno orijentirano, što je poprilično neintuitivan rezultat (koji dolazi kao šlag na tortu neintuitivnih rezultata fizikalnih teorija 20. stoljeća).

Već 1957. godine Yang i Lee su nagrađeni Nobelovom nagradom, dok je Wu dobila utješnu nagradu Wolf Prize koju dodjeljuje Izrael.

Zrcalni svjetovi i Alisina materija

U zadnjem odlomku rada kojeg su Lee i Yang objavili nalazi se začetak ideje zrcalnog svemira kao ideja koja bi ipak sačuvali paritet – u tom radu pojam „zrcalni svijet“ se nije spominjao, ali spominjali su se desno orijentirani protoni (nove čestice) koji interagiraju putem elektromagnetskih i jakih interakcija sa ostalim lijevo orijentiranim protonima i na taj način spašavaju paritet.

Lev Davidovič Landau, poznati ruski fizičar i nobelovac,  protivio se ideji kršenja očuvanja pariteta pošto je prostor zrcalno simetričan, što bi bilo analogno ideji da je količina gibanja i kutna količina gibanja očuvana iz razloga što je prostor homogen i izotropan; štoviše, na jednoj od konferencija u Moskvi je doslovno izrugao, tada malog, američkog znanstvenika Murray Gell-Manna, koji je spomenuo moguće narušenje pariteta, a koji će kasnije dobiti nobelovu nagradu zbog otkrića kvarkova. Kasnije će se pokazat da prostor ne mora biti zrcalno simetričan. U radu On the possibility of observing mirror particles objavljenom 1966. grupa autora nadopunjuje prijedlog od Yang i Lee s tim da zrcalne čestice imaju svoje jake i elektromagnetske interakcije, što je značilo da zrcalne čestice mogu formirati zrcalne atome, molekule, planete, zvijezde i život! Cijeli jedan zrcalni svemir, prihvatljiv u okviru zakona fizike. Štoviše, takav svijet bi mogao koegzistirati u istom prostoru zajedno s našim svijetom.

Glavna ideja zrcalnog/paralelnog svemira je da svim poznatim česticama možemo pridružiti čestice (elektronu -> zrcalni elektron, protonu -> zrcalni proton, neutrinu -> zrcalni neutrino itd.) koje su nevidljivi blizanci od istih smještene u zrcalnom svijetu (eng. mirror world), a koje ne osjećaju jaku i elektroslabu interakciju iz našeg svijeta, nego onu iz vlastitog zrcalnog svijeta. Osim zrcalnog svijeta, upotrjebljavaju se pojmovi: zrcalne čestice, zrcalna materija, materija iz sjene, Alisina materija itd. Zrcalni svijet predstavlja paralelni svijet, odnosno paralelni svemir.

U međuvremenu se ideja toliko razvila da je postala jedan od ozbiljnijih kandidata za objašnjenje tamne materija. Posljedice interakcije našeg svijeta i zrcalnog svijeta u teoriji mogu biti detektirane raznim eksperimentima, stoga danas postoje mnogi eksperimenti koji pokušavaju takve detekcije izvesti, a sama teorija bi mogla objasniti neke rezultate mjerenja tamne materije u eksperimentima DAMA, CoGeNT i CRESST. Nakon teorijskog naoružanja, počinje eksperimentalni lov na paralelne svemire!

Neutroni sa onoga svijeta

I sve bi to ostala samo zanimljiva teorija, da prije mjesec dana nije objavljen članak u European Physical Journal pod nazivom Magnetic anomaly in UCN trapping: signal for neutron oscillations to parallel world? u kojem se tumači uočena eksperimentalna anomalija pomoću teorije zrcalnog svijeta. Naime, istraživači sa instituta Laue-Langevin u Francuskoj uočili su gubitak neutrona ultra – hladnim neutronskim zamkama. Štoviše, uočili su da taj gubitak ovisi o magnetskom smjeru i jakosti magnetskoga polja. No, takav rezultat nije objašnjiv fizikom s kojom trenutno raspolažemo! Teorijski fizičari Zurab Berezhiani i Fabrizio Nesti sa Sveučilišta Aquila u Italiji obradili su rezultate eksperimenta, te ponudili objašnjenje upravo preko zrcalnih čestica: neutron – zrcalni neutron oscilacije. Po toj teoriji neutron iz našeg svijeta prelazi u neutron iz zrcalnog svijeta i nazad, tako oscilirajući iz jednog svijeta u drugi. Vjerojatnost da se takav prijelaz dogodi ovisna je o magnetskom polju – zato je i uočena eksperimentalno, te se, po teoriji, takav eksperiment može reproducirati bez ikakvoga problema. Ukoliko bi se to napravilo, teorija zrcalnih svjetova bi dobila jaču težinu. Još je zanimljivije da i sama Zemlja, pošto posjeduje magnetsko polje, vrši interakciju sa zrcalnim česticama; odnosno interagira  sa zrcalnim svijetom, tj. paralelnim svemirom – te bi zbog takve interakcije zrcalna materija mogla biti ozbiljan kandidat za tamnu materiju.

Zaključak

Sve čestice u svemiru poštuju simetrije na rotaciju i translaciju, ali ne simetriju pariteta. Gravitacijska, jaka i elektromagnetska interakcija poštuju paritet, dok slaba interakcija ne poštuje. Međutim, to ne mora biti tako – paritet i dalje može biti očuvan ukoliko uvedemo zrcalne čestice koje bi u kombinaciji sa našim česticama očuvale paritet. Pošto takve čestice imaju svoje zrcalne interakcije, one su sposobno stvarati atome, objekte, planete, odnosno cijeli jedan zrcalni svemir – paralelni svemir, koji može egzistirati zajedno s našim. Dakle, paralelni svemir bi bio posljedica očuvanja pariteta u slaboj interakciji! Srećom, po teoriji, zrcala materija može interagirati sa običnom materijom (odnosno, postoji interakcija između našeg i paralelnog svemira), te bi se taj efekt mogao detektirati – s tim da postoje radovi, kao gore spomenuti, koji tvrde da je to već obavljeno. Takva interakcija je vrlo slaba, pošto zrcale čestica interagiraju međusobno pomoću zrcalnih bozona (nositeljima sile), što nije slučaj sa gravitacijom preko koje zrcalne čestice i obične čestice mogu interagirati, upravo su zato zrcalne čestice kandidat za tamnu materiju.

REFERENCE

[1] T.D. Lee and C.N. Yang, Question of Parity Conservation in Weak Interactions, Phys. Rev. 104, 254 (1956)

[2] L.B. Okun, Mirror particles and mirror matter: 50 years of speculation and search (2006): arXiv:hep-ph/0606202v2

[3] http://ccreweb.org/documents/parity/parity.html

[4] Zurab Berezhiani, Fabrizio Nesti. Magnetic anomaly in UCN trapping: signal for neutron oscillations to parallel world? The European Physical Journal C, 2012; 72 (4)

[5] http://www.sciencedaily.com/releases/2012/06/120615104347.htm#.T92sr32geO4.newsvine