Dziś ważny jest jednak inny aspekt. Żeby odkryć bozon Higgsa, musieliśmy skonstruować największe, najbardziej skomplikowane urządzenie w dziejach. Budowa LHC wymusiła ogromny postęp technologiczny. I to on jest obecnie największym zyskiem. Pamiętajmy o tym choćby korzystając ze stron WWW, które wymyślono właśnie w CERN-ie, aby umożliwić dużym zespołom fizyków rozrzuconych po całym świecie efektywny udział w eksperymentach z zakresu fizyki cząstek elementarnych. Pozornie te eksperymenty nie miały żadnego znaczenia dla naszego codziennego życia. A przecież dziś dzięki WWW czytamy gazety, robimy zakupy i szukamy pracy.

Będą kolejne higgsy?

Być może — i być może będzie też wiele innych cząstek elementarnych. Struktura teorii supersymetrycznych wymaga, aby pól Higgsa było więcej niż jedno. Każde z tych pól byłoby inaczej wzbudzane. Możliwe więc, że w przyszłości znajdziemy nowe higgsy, o innych własnościach niż obecnie odkryty. Jeśli okaże się to prawdą, pewna część cząstek elementarnych miałaby masę wskutek oddziaływania z jednym polem Higgsa, a pewna — z innym. Czy tak jest skonstruowana nasza rzeczywistość? Na odpowiedź musimy poczekać zapewne kilka lat, bo będzie potrzeba dużo większej ilości danych i też większej energii w LHC. Ale pierwszy krok został już zrobiony!

Czym jest model standardowy?

1. Cząstki elementarne z których zbudowana jest znana materia: sześć leptonów i sześć kwarków, oraz bozony cechowania przenoszące oddziaływania.

Wydaje się to niewiarygodne, ale świat naszej codzienności jest zbudowany z zaledwie czterech rodzajów fundamentalnych „cegiełek". Podziwiamy go dzięki fotonom, bo to one oddziałują z atomami tworzącymi nasze ciała i nasze środowisko naturalne. Atomy z kolei są złożone z elektronów związanych wokół jąder atomowych. Jądra atomowe zaś to zlepki protonów i neutronów, cząstek składających się z trójek kwarków dolnych i górnych. Kwarki te są złączone dzięki oddziaływaniom przenoszonym przez gluony.

Badania prowadzone od początków XX wieku z użyciem coraz lepszych akceleratorów dostarczyły dowodów, że rzeczywistość jest jednak bardziej złożona. Oprócz elektronu, fotonu, dwóch kwarków i gluonów, istnieje w niej więcej cząstek elementarnych i całe zoo złożonych cząstek jądrowych. Tę skomplikowaną strukturę świata kwantów udało się fizykom opisać za pomocą zespołu teorii nazywanego Modelem Standardowym.

W Modelu Standardowym materia składa się z cząstek elementarnych, które dzielą się na trzy podobne grupy (rodziny). Elektron, neutrino elektronowe, kwark górny i kwark dolny tworzą pierwszą rodzinę. Druga to mion, neutrino mionowe, kwark powabny i kwark dziwny. W trzeciej rodzinie znajdziemy taon, neutrino taonowe, kwark prawdziwy i kwark piękny.

Zamiast na rodziny, można zastosować też inny podział: po prostu na kwarki i pozostałe cząstki, czyli leptony (są więc nimi elektrony, miony, taony i trzy odpowiadające im neutrina).

Wszystkie wymienione cząstki, ze względu na pewne wspólne cechy nazywane fermionami, oddziałują ze sobą. Nośnikami oddziaływań są cząstki podlegające innym prawom statystycznym - bozony. Zaliczamy do nich foton (przenosi siły elektromagnetyczne), bozony W⁺, W^- i Z⁰ (odpowiedzialne za słabe oddziaływania jądrowe) oraz gluony (które przenoszą oddziaływania silne, wiążące kwarki w takie kompleksy, jak proton czy neutron).

Względna prostota Modelu Standardowego jest myląca. Gluonów jest w nim aż osiem, a wszystkie bozony mają swoich antymaterialnych partnerów, czyli antycząstki (np. antypartnerem elektronu jest pozyton, cząstka o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego).

Model Standardowy uwzględnia wiele zjawisk zachodzących w świecie kwantów. Jednak aby jego przewidywania zgadzały się z rzeczywistością, trzeba doświadczalnie, z ogromną precyzją, dopasować niemal dwadzieścia różnych parametrów. Dlaczego parametry te są właśnie takie, a nie inne — tego nie wiemy. Z całą pewnością Model Standardowy nie jest też teorią ostateczną. Nie uwzględnia przecież istnienia grawitacji ani — wciąż hipotetycznych — cząstek ciemnej materii, która wydaje się wpływać na ruchy galaktyk. Nie wyjaśnia także, dlaczego wkrótce po Wielkim Wybuchu materia, wypełniająca go dokładnie taką samą liczbą cząstek i antycząstek, w całości nie anihilowała.

Mimo wad, Model Standardowy okazał się precyzyjnym sposobem opisu cząstek jądrowych. Swą obecną formę teoria ta przybrała w latach 70. ubiegłego wieku. Z czasem jej przewidywania potwierdzono doświadczalnie. W 1995 roku fizykom udało się zaobserwować ostatni brakujący kwark (górny, top), a pięć lat później odkryto w naturze ostatni lepton: neutrino taonowe.

Nie był to jednak koniec poszukiwań.

Podstawowy problem podczas konstruowania Modelu Standardowego tkwił bowiem w innym miejscu. Aby działały, wczesne wersje Modelu Standardowego musiały mieć cząstki elementarne pozbawione masy! Nawet codzienne obserwacje pozwalają stwierdzić, że nie może to być prawdą: obiekty wokół nas, zbudowane z cząstek jądrowych, z całą pewnością mają masę. Teoria w rażący sposób nie zgadzała się z rzeczywistością i należało z nią koniecznie coś zrobić.

Teoretycy zaproponowali rozwiązanie: nowe pole, wypełniające cały Wszechświat. Manifestacją istnienia tego pola powinna być nowa cząstka — bozon Higgsa.

Pozostał tylko „drobiazg": należało tę cząstkę odkryć.

Droga do bozonu Higgsa

W Modelu Standardowym zakłada się, że cząstki elementarne są wzbudzeniami pewnych pól kwantowych. Pola kwantowe tym różnią się od zwykłych pól fizycznych, że ich wzbudzenia nie mogą być dowolne. Na przykład różne wzbudzenia pola elektromagnetycznego obserwujemy jako fotony o różnych energiach. Wzbudzenie określonego pola kwantowego widzimy zawsze jako pewną, charakterystyczną dla tego pola cząstkę elementarną.

Konstruowanie Modelu Standardowego było trudne i czasochłonne, zajęło fizykom dziesięciolecia. Gdy fizycy próbowali przyporządkować masy cząstkom elementarnym, doskonale się sprawujący Model Standardowy zaczynał chorować. W teorii pojawiały się niemożliwe do usunięcia nieskończoności, świadczące o jej poważnych błędach. Na szczęście na początku lat 60. ubiegłego wieku kilku fizyków (Yoichiro Nimbu, a później Robert Brout i Francois Englert) zauważyło, że problemy mogą zniknąć, gdy w Modelu Standardowym uwzględni się obecność jeszcze jednego pola kwantowego.

Pomysł został dopracowany przez brytyjskiego fizyka Petera Higgsa. Zaproponowane przez niego skalarne pole kwantowe miało bardzo specyficzne własności. Nie tylko musiało wypełniać cały Wszechświat, w tym próżnię, ale potencjał związany z tym polem nie mógł w próżni przyjmować wartości zero. Oznaczało to, że w każdym punkcie przestrzeni powinien istnieć pewien stały wkład do gęstości energii, pochodzący od pola Higgsa.

Cząstki elementarne w Modelu Standardowym nabierają masy wskutek oddziaływania z polem Higgsa, które stawia im opór. Nowy mechanizm nie tylko tłumaczył pochodzenie masy, wyjaśniał również, dlaczego masę mają bozony W i Z, cząstki pośredniczące w przenoszeniu słabych oddziaływań jądrowych (pozostałe nośniki oddziaływań, fotony i gluony, nie mają masy).

Skoro w Modelu Standardowym wzbudzenia pól kwantowych są obserwowane jako cząstki, z nowym polem musiała być związana pewna cząstka elementarna. Nazwano ją bozonem Higgsa lub, w skrócie, po prostu higgsem (inne określenie, boska cząstka, zostało mu nadane z wyrachowaniem, wyłącznie dla celów propagandowych). Charakterystyczną cechą bozonu Higgsa jest brak spinu, pewnej cechy kwantowej. Dotychczas wykryliśmy wiele cząstek jądrowych o spinie zerowym, lecz wszystkie były obiektami złożonymi (na przykład z par kwark-antykwark).

Odkrycie bozonu Higgsa w akceleratorze LHC to potwierdzenie istnienia w przyrodzie pola Higgsa. Oznacza, że w księdze o tytule „Model Standardowy" fizycy właśnie ukończyli ostatni rozdział. Lecz wiemy już, że ten ostatni rozdział zapowiada nową, kto wie, czy nie bardziej fascynującą od dotychczasowej księgę. Kolejny tom, który fizycy całego świata dopiero zaczynają pisać.

Znaczenie bozonu Higgsa dla współczesnej fizyki

Model Standardowy nie jest ostateczną teorią opisu struktury materii. Fizycy są tego pewni, dlatego od dawna trwają prace teoretyczne nad jego rozszerzeniem i uogólnieniem. Ekstremalne wymagania technologiczne fizyki cząstek elementarnych powodują, że pomysły pojawiają się znacznie szybciej niż możliwości ich doświadczalnej weryfikacji. Dość powiedzieć, że obecne odkrycie bozonu Higgsa było możliwe dopiero po wybudowaniu akceleratora LHC i jest pierwszym dowodem potwierdzającym istnienie w przyrodzie mechanizmu nadającego masy cząstkom elementarnym, który to mechanizm został zaproponowany… w latach 60. ubiegłego wieku.

W ciągu ostatniego półwiecza teoretycy przedstawili wiele propozycji rozszerzenia Modelu Standardowego. Bozon Higgsa jest obecnie jedyną cząstką elementarną pozbawioną spinu, pewnej cechy kwantowej. Grupa nowych teorii, nazywanych supersymetrycznymi, zakłada, że wszystkie fermiony (kwarki i leptony) mają swoich supersymetrycznych partnerów i że są to cząstki podobnie jak higgs elementarne, a ich spin także jest równy zero. Poszukiwanie cząstek supersymetrycznych to dziś jedno z najważniejszych zadań realizowanych w akceleratorze LHC. Są one bowiem najpoważniejszymi kandydatami na ciemną materię, istnienie której zdają się potwierdzać obserwacje astronomiczne ruchów galaktyk i ich gromad.

Inny zespół teorii zakłada istnienie technikoloru, nowego typu oddziaływania, które powinno zachodzić między pewnymi, jeszcze nieodkrytymi cząstkami elementarnymi. W tym ujęciu mechanizm Higgsa, odpowiadający za masy cząstek elementarnych, pojawia się nie na zasadzie deklaracji precyzyjnie dopasowanej do wymogów teorii, lecz wskutek zachodzących w tej teorii dynamicznych procesów.

Dodatkowe wymiary przestrzeni to kolejna próba rozszerzenia Modelu Standardowego, wywodząca się z teorii strun. Teoria wymusza w tym przypadku istnienie aż dziesięciu wymiarów przestrzennych. Widzimy zaledwie trzy, ponieważ siedem wymiarów byłoby mocno zwiniętych. To zwinięcie można sobie wyobrażać poprzez analogię z kartką: kartka ma (w praktyce) dwa wymiary przestrzenne, możemy ją jednak zwinąć w tak ciasny rulon, że z daleka będzie on wyglądał jak jednowymiarowy pręt. Teorie odwołujące się do dodatkowych wymiarów wymagają, w mniejszym lub większym stopniu, uwzględnienia niektórych idei supersymetrii.

Zobacz komentarze (23)..

Wyślij mailem..

Wersja do druku    PDF    MS Word