Odkrywanie Wszechświata - część III.

Model Standardowy jest dla fizyki cząstek tym, czym dla chemii układ okresowy pierwiastków. Ale z pewnością nie jest teorią ostateczną.

        Model Standardowy jest dla fizyki cząstek tym, czym dla chemii układ okresowy pierwiastków. Tabela nawet nieco go przypomina: fermiony podzielone na trzy „generacje”. Do pierwszej należą kwark górny u i dolny d, elektron i neutrino elektronowe; druga obejmuje kwarki: dziwny s i powabny c, mion i neutrino mionowe, trzecia – kwark denny b i szczytowy t, taon i neutrino taonowe. Wszystkie te cząstki należą do grupy fermionów; podlegają statystyce Fermiego-Diraca i charakteryzują się spinem ±1/2. Kolejną kolumnę stanowią bozony cechowania, przenoszące oddziaływania; podlegające statystyce Einsteina-Bosego i mające spin 1. Fotony przenoszą oddziaływania elektromagnetyczne, gluony – silne jądrowe, a wuony i zetony (W⁺, W^- i Z⁰) – jądrowe słabe. Higgs – którego pierwotna wersja Modelu Standardowego nie obejmowała. – jest także bozonem, ale o spinie 0.       

         Pozorna prostota Modelu Standardowego jest myląca. Kwarki występują w trzech „kolorach” (nie ma to nic wspólnego z rzeczywistym kolorem – nazwano w ten sposób ładunki oddziaływania silnego, tak jak ładunki elektryczne nazwano + i -), gluonów jest w nim aż osiem, a każdy kwark i lepton ma swoją antycząstkę , o przeciwnym ładunku i spinie.

      Swą obecną formę teoria ta przybrała w latach 70. ubiegłego wieku. Z czasem jej przewidywania potwierdzono doświadczalnie. Model Standardowy okazał się precyzyjnym sposobem opisu cząstek, z pewnością nie jest jednak teorią ostateczną.

Oto jego najważniejsze braki:

• ⇒ ma aż 19 swobodnych parametrów – czyli takich, których nie można wyliczyć na podstawie teorii – trzeba dopasować je doświadczalnie

• ⇒ w pierwotnych wersjach wszystkie cząstki są bezmasowe – problem, który był już poruszany: czym w ogóle jest masa, i skąd się bierze.

• ⇒ pomija grawitację! Zauważ brak w tabeli hipotetycznego grawitonu: bozonu o masie i ładunku 0 i spinie 2.

• ⇒ nie wyjaśnia braku antymaterii we Wszechświecie.

• ⇒ nie wyjaśnia fazy inflacyjnej.

• ⇒ nie uwzględnia cząstek ciemnej materii – niestety, wciąż hipotetycznych – która stanowi większość masy Wszechświata, na co wskazuje jej wpływ na na ruchy galaktyk.

       Aby przewidywania Model Standardowego zgadzały się z rzeczywistością, trzeba z ogromną precyzją, eksperymentalnie dopasować tych 19 różnych parametrów, głównie mas cząstek. Dlaczego są właśnie takie, a nie inne? – nie wiadomo. Dlaczego masa każdej cząstki kolejnej generacji jest wielokrotnie większa, niż poprzedniej? Kwark u ma masę ~0,023GeV, kwark c – ~1,275GeV, a kwark t – uwaga! – ~173,07GeV. Podobnie: e – 0,511MeV, μ – 105,7MeV, a τ – 1777MeV. Zanim znaleziono kwark t i neutrino τ, żaden teoretyk nie był w stanie przewidzieć ich mas – chociaż masy pozostałych kwarków i leptonów były od dawna znane.

Odnośnie jednostek masy cząstek:

Dlaczego masę wyrażamy w elektronowoltach (eV) – jednostkach energii?

Ponieważ E=mc².

Właściwie powinno być: MeV/c², GeV/c²... ale przyjęło się podawanie mas cząstek w elektronowoltach, bez współczynnika.

Dla przypomnienia:

1keV = 1000eV

1MeV = 10⁶ (milion) eV

1GeV = 1000MeV = 10⁹ (miliard) eV

1TeV = 1000GeV = 10⁶MeV = 10¹²eV

Podając powyżej masy kwarków i leptonów używałem tych samych wielokrotności dla łatwiejszego porównania.

     Model Standardowy jest narzędziem opisującym cząstki elementarne z zadziwiającą dokładnością. 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 – nie wiadomo. Z całą pewnością Model Standardowy nie jest teorią ostateczną. Nie obejmuje przecież grawitacji, ani cząstek ciemnej materii, której masa wielokrotnie przewyższa masę obserwowalnej materii barionowej. Nie wyjaśnia także, dlaczego wkrótce po Wielkim Wybuchu materia i antymateria, które powinny powstawać w równych ilościach, w całości nie anihilowały (dwie ostatnie kwestie przeanalizujemy w kolejnej części, poświęconej ewolucji Kosmosu).

        Kolejnym problemem była kwestia mas bozonów cechowania. Dlaczego jedne – foton i gluony – są bezmasowe, natomiast bozony oddziaływania słabego mają całkiem pokaźną masę: W – 80,4GeV, Z – 91,2GeV. Przypomnę w tym miejscu, że w pierwotnej wersji Modelu Standardowego wszystkie cząstki były bezmasowe – co prowadziło do ewidentnego nonsensu: przecież materia ma masę!!

       Już w latach 60. kilku fizyków, m.in. Yoichiro Nimbu, Robert Brout i Francois Englert zaproponowało rozwiązanie tego problemu przez wprowadzenie jeszcze jednego pola kwantowego. Koncepcja została dopracowana przez Petera Higgsa, od którego imienia nazwano to pole i związaną z nim cząstkę. Pole Higgsa musiało mieć bardzo specyficzne właściwości. W przeciwieństwie do np. pola elektromagnetycznego i pozostałych, które są polami wektorowymi, jest skalarne. Pole elektromagnetyczne czy grawitacyjne, oprócz wartości natężenia, ma określony kierunek i zwrot. Jest więc wektorem. Przyciąga lub odpycha. Pole skalarne oddziałuje jednakowo w każdym kierunku. Dlatego spin związanego z nim bozonu musi więc wynosić 0. Ponadto potencjał z nim związany nie mógł w próżni przyjmować wartości zero. Jego energia jest najniższa, gdy pole ma wartość niezerową. Oznacza to, że w każdym punkcie przestrzeni powinien istnieć pewien stały, pochodzący od tego pola wkład do gęstości energii. Masa cząstki zależy od siły jej oddziaływania z polem Higgsa.

         Musimy się teraz „cofnąć w czasie” do lat 30. Wówczas Einstein próbował sformułować teorię „wielkiej unifikacji” – co w tamtych czasach oznaczało połączenie grawitacji z elektromagnetyzmem – nie mógł wiedzieć, że jego próby były skazane na porażkę, jako że nie znano jeszcze wówczas dwóch pozostałych sił. Enrico Fermi jako pierwszy opisał oddziaływania słabe. Odwołując się do QED zauważył koszmarną niezgodność: rozwiązania równań wywalały absurdalne nieskończoności!? Feynman i inni wymyślili matematyczną procedurę, zwaną renormalizacją, która pozwalała się ich pozbyć. Teorie z symetrią cechowania, jak QED, są renormalizowalne... ale w odniesieniu do oddziaływań słabych próby te zakończyły się fiaskiem. Oddziaływania słabe są nie tylko nieporównanie słabsze od elektromagnetycznych, ale również jest najbardziej krótkozasięgowe: rzędu 10^-19m(!) – podczas gdy elektromagnetyczne mają teoretycznie nieskończony zasięg, przewidywanie malejący z kwadratem odległości. Ponadto nie zachowują symetrii parzystości (rozpad mionu) – jak również połączonej CP (kaony).

         Nie przejmuj się, jeśli nie wiesz o co chodzi z tymi symetriami? Najprostszy przykład: spójrz w lustro – to akurat symetria P. Ale „złamanie symetrii” – cóż to właściwie znaczy?... Można to wytłumaczyć banalnym przykładem zamarzającej wody. Woda w stanie ciekłym jest symetryczna w każdym kierunku: jak nie spojrzysz, masz to samo. Lód, ze względu na strukturę krystaliczną, ma tylko trzy osie symetrii. Co znaczy, że przejście fazowe wody ze stanu ciekłego w stały łamie symetrię.

     Jeszcze nie rozumiesz? Porównaj koło z kwadratem. Koło, jakkolwiek je obrócisz, będzie identyczne. Kwadrat można obrócić tylko o określony kąt. Koło jest symetryczne ze względu na dowolny obrót, kwadrat tylko względem wielokrotności 90o. A teraz kopnij to koło: spłaszczyłeś je na elipsę. Tylko obrót o 180o daje identyczną formę. Kopniakiem złamałeś symetrię! Kopnij kwadrat – otrzymasz romb, również symetryczny tylko pod względem obrotu o 180o.

        Co „łamie” symetrię między siłami, nadając wuonom i zetonom tak wielką masę, podczas gdy foton pozostaje bezmasowy??? Higgs! Nie wiadomo wprawdzie, dlaczego jedne oddziałują z nim silniej (=mają dużą masę), inne mniej, a jeszcze inne w ogóle (jak foton)?...

         W 70. latach Sheldon Glashow, Steven Weinberg i Abdus Salam, niezależnie od siebie, zrobili kolejny krok w kierunku unifikacji oddziaływań. Wykorzystali koncepcje Higgsa. Wprawdzie nie wiadomo jeszcze, dlaczego jednie cząstki oddziałują z nim silniej (=mają dużą masę), inne słabiej, a jeszcze inne (jak fotony) w ogóle?... Ale przy wysokich energiach, przewyższających fluktuacje kwantowe, pole Higgsa nie jest w stanie nadawać masy cząstkom. Dopiero poniżej ~100GeV następuje złamanie symetrii: foton pozostaje niezmieniony, a cząstki W i Z zyskują masę. Zmierzone później eksperymentalnie, idealnie pasują do teorii: W±=80,4GeV, Z0=91,2GeV. Wartość ich mas odpowiada niemal dokładnie energii elektrosłabej unifikacji. Po elektromagnetyzmie Faradaya i Mawella – kolejny krok w kierunku unifikacji wszystkich sił! 
        Najpełniejszą jak dotychczas teorię przedstawił S. Weinberg (o którym jeszcze niejednokrotnie wspomnę), ale w uznaniu zasług wszystkich trzech teoretyków nazwano ją 'teorią Glashowa-Weinberga-Salama'. Siły: elektromagnetyczna i słaba zrównują się przy energiach rzędu 100GeV (temperatura 10¹⁵K, odległości rzędu 10^-19m) – jeszcze jak najbardziej dostępnych dla współczesnych akceleratorów. 

      Pod warunkiem, że higgs nie ma masy większej niż 1TeV – wówczas znów doszłoby do załamania teorii. Higgsa znaleziono w CERN, po niemal 60 latach odkąd został teoretycznie przewidziany, dzięki najpotężniejszemu, jak dotąd, akceleratorowi LHC (Large Hadron Collider) w 2012r. (potwierdzono rok później) – teoria znów się potwierdziła: higgs ma masę ~126GeV.

obraz rozpadu bozonu Higgsa

         Leon Lederman, genialny eksperymentator z Fermilabu i noblista, zapewne chcąc podkreślić niewątpliwe znaczenie higgsa, nazwał go „boską cząstką”. Niestety, ta absurdalna nazwa przyjęła się w popularnej literaturze... Jak widać, niektórzy fizycy mają tendencje do nadawania takich niedorzecznych nazw. Mówienie o „kolorach” i „zapachach” kwarków; nazwy: kwark powabny, piękny i prawdziwy (dla dwóch ostatnich na szczęście przyjęły mniej „poetyckie” się nazwy: niski i wysoki), irytujące nadużywanie przedrostka „super” (supersymetria, superstruny, supergrawitacja), no i owa nieszczęsna „boska cząstka”... Ale, jak zwał, tak zwał: pewnie zabrakło im greckich liter?

      No, dobrze? Załóżmy, że oddziaływania słabe mamy wyjaśnione. Ale co z silnym? Przecież gluony także nie mają masy! Mimo to ich oddziaływanie, chociaż nieco dalsze niż słabe (10^-15m) i tak jest dziwnie krótkodystansowe.

         Stworzono, analogicznie do elektrodynamiki kwantowej, chromodynamikę kwantową (QCD), opisującą oddziaływanie silne. „Kolory” kwarków to odpowiedniki „+” i „-” w elektromagnetyzmie: każdy hadron jest pod tym względem obojętny, tak jak atom jest obojętny elektrycznie. Ale nie istnieje coś takiego, jak swobodny kwark.

        Siły grawitacyjne, elektromagnetyczne i słabe maleją ze wzrostem odległości. Silne odwrotnie. Działają analogicznie jak sprężyna: im dalej, tym mocniej przyciągają. Frank Wilczek, David Gross i Hugh Politzer sformułowali to jako zasadę swobody asymptotycznej”:

                                       Barion (proton)                                                             Mezon ( pion)

          Gdybyśmy użyli wystarczająco dużej energii do rozerwania wiązania między kwarkami, a więc oddalenia ich od siebie na dostatecznie dużą odległość – otrzymalibyśmy TO:

pierwotne kwarki zostają rozdzielone, ale natychmiast tworzą pary
z nowo powstałymi, kosztem energii pola gluonowego kwarkami.

      Zanim przejdę do usiłowań połączenia oddziaływań silnych z elektrosłabym, wrócę jeszcze do kwestii masy. Proton to uud. Masa u to 2,3MeV; d to 4,8MeV. 2x2.3+4,8=9,4MeV. Masa protonu to 938MeV. Jak widać, masa kwarków to zaledwie ca~1% masy protonu. Skąd więc pozostałe 99%? – przypominam, że gluony są bezmasowe... Odpowiedź jest oczywista, jeśli pamięta się o najsłynniejszym równaniu w historii: E=mc². Prawie cała masa protonu, jak i pozostałych barionów, to energia wiązań kwarków. Dochodzą jeszcze cząstki wirtualne... ale już nie komplikujmy nadmiernie. Popularne twierdzenie, iż całą masę zawdzięczamy higgsowi jest więc tylko częściowo poprawne.

      Teorię elektrosłabą czasami nazywa się „małą unifikacją”. Naukowcy jednak próbują pójść dalej. Pod koniec XXw. skupiono na próbach jej połączenia z oddziaływaniem silnym – stworzenia wielkiej unifikacji (GUT – Grand Unification Theory). Pierwszą próbę podjął znany nam już Sheldon Glashow. Problem jest w tym, że o ile unifikacja elektrosłaba mieści się w zakresach energii dostępnych dla eksperymentalnej weryfikacji (~100GeV), to energie GUT wykraczają poza możliwości największych wyobrażalnych akceleratorów: 10¹⁶GeV (co odpowiada temperaturze 10²⁸K). Podejmowano wiele prób stworzenia poprawnej GUT. Niestety, jak dotąd, nie odniesiono pełnego sukcesu.

      A gdzieś tam z boku, jeszcze coś wciąż burzy ten idealny obraz. Grawitacja(!) – która nijak nie chce się włączyć w ten idealny schemat. OTW, chociaż w makroskali potwierdza się w każdym przypadku, wciąż kłóci się z równie dobrze potwierdzoną teorią kwantową, jak i z Modelem Standardowym. Nieistniejąca jeszcze kwantowa grawitacja, zwana szumnie Teorią Wszystkiego (TOE – theory of Everything) stała się przysłowiowym „świętym Graalem” fizyki ostatnich kilkudziesięciu lat. Powstały różne, czysto teoretyczne koncepcje, oparte o oszałamiająco skomplikowaną matematykę, które pretendują do miana TOE... jednak na razie żadna nie stała się tak pewnym opisem rzeczywistości, jak prezentowane dotychczas.

O nich będzie w jednej z kolejnych części...

         W tym miejscu niejeden pewnie znów zapyta: „a po co to komu?”... Chociaż przypuszczam, że ci, którzy zadają takie pytanie raczej nie czytają tego artykułu, odpowiem cytatem Lisy Randall, fizyka teoretyka z Harvardu, zajmującej się jednymi z najbardziej abstrakcyjnych teorii:

          „Nawet, gdy w ostatecznym rozrachunku przynoszą one wymierny pożytek, rzadko kiedy wiemy o tym już w chwili dokonania danego odkrycia. Gdy Benjamin Franklin zrozumiał, że błyskawica jest przepływem prądu elektrycznego, nie miał pojęcia, że już wkrótce elektryczność odmieni oblicze całej planety. Gdy zaś Einstein pracował nad ogólną teorią względności, nie sądził, że znajdzie ona jakieś praktyczne zastosowanie. (…)*[GPS mylił się o całe kilometry, zanim uwzględniono efekty relatywistyczne]* (...)W ostatecznym rozrachunku najmniejsze badane przez nas obiekty mają istotne znaczenie dla odkrycia, kim jesteśmy i skąd się wzięliśmy. Wielkoskalowe struktury, które chcemy lepiej poznać, również mogą rzucić pewne światło na nasze kosmiczne otoczenie, a także na pochodzenie i los Wszechświata.”

     Obecnie jednak nie docenia się badań podstawowych. „Pracownicy nauki”, zajmujący się badaniami stosowanymi – nic im nie ujmując – otrzymują intratne stanowiska w wielkich korporacjach i zarabiają fortuny na patentach, a zapomina się, że większość zdobyczy technicznych wzięło początek z abstrakcyjnych, napędzanych czystą ciekawością badań.

       Przykro patrzeć, jak NAUKA staje się zaledwie wyrafinowanym rzemiosłem...

      Ale fala odkryć ostatnich kilkunastu lat - że wpomnę tylko o kilku, najbardziej znanych - wyłania się bardziej optymistyczna perspektywa:

• pomiar fluktuacji kosmicznego promieniowania tła - satelity COBE, WMAP i PLANCK;
• odkrycie przyspieszenia ekspansji Wszechświata dzięki obserwacjom odległych supernowych;
• odkrycie bozonu Higgsa w CERN;
• udowodnienie niezerowej masy neutrin przez wykazanie ich oscylacji;

• wykrycie fal grawitacyjnych;

.........................

           Jak widać nawet z tego pobieżnego zestawienia, poszukiwanie czystej wiedzy nadal inspiruje największe umysły! I to budzi nadzieję...

Licencja: Creative Commons - na tych samych warunkach