Nobel 2013: Peter Higgs i François Englert

W zasadzie od lata 2012, gdy odkryto bozon Higgsa, było jasne, że dość elegancki mechanizm ukrytej symetrii, znaleziony przez kilku badaczy mniej więcej niezależnie od siebie, jest rzeczywistością. Przedtem była to atrakcyjna możliwość zbudowania teorii znanych cząstek elementarnych, czegoś w rodzaju Układu okresowego wieku XX – podobnie jak Układ okresowy uporządkował pierwiastki w chemii, Model Standardowy uporządkował wiedzę na temat cząstek. Wiemy, z czego składa się świat: z atomów, a piętro niżej z cząstek elementarnych opisywanych właśnie przez Model Standardowy. Bozon Higgsa jest nieodzowny, jeśli cząstki takie jak elektron mają być masywne – a wiadomo przecież, że są (bezmasowy jest tylko foton oraz gluony: chodzi o masę spoczynkową).

Czastki_elementarne_modelu_standardowegoŹródło: Wikipedia

Tabelki to jeszcze nie nauka, a przynajmniej nie cała. Jednak chęć systematyzacji i uporządkowania jest ważna, pomaga też ustalić, czego jeszcze nie wiemy. Jak się zdaje, największymi niewiadomymi są ciemna materia i ciemna energia. Samo istnienie ciemnej materii, czyli cząstek, których dotąd nie zaobserwowano inaczej niż przez ich oddziaływanie grawitacyjne, oznacza, że Model Standardowy nie zawiera wszystkiego. Układ okresowy, kiedy sformułował go Dymitr Mendelejew też nie był kompletny, ale i tak odegrał ogromną rolę w nauce.

Więcej o Modelu Standardowym

Reklamy

Kto zamawiał cząstkę Higgsa? Dość krótka historia Modelu Standardowego

Tytuł nawiązuje do powiedzenia jednego z wybitnych eksperymentatorów, I. I. Rabiego, który na wieść o odkryciu kolejnej nowej cząstki (chodziło o mion) jęknął: „Kto to zamawiał?” Przez długi czas wydawało się, że nie sposób ułożyć w sensowną całość kolekcji znanych cząstek. Przypominało to chemię przed odkryciem układu okresowego. Spróbuję przedstawić logikę rozwoju teorii cząstek i wyjaśnić, czemu fizycy tak bardzo ekscytują się możliwością odkrycia cząstki Higgsa.

Pierwsze cząstki

Najwcześniej, bo pod koniec XIX wieku, odkryto elektrony: naładowane ujemnie, dwa tysiące razy lżejsze od atomu wodoru. Następnie stwierdzono, że każdy atom ma jądro złożone z protonów i neutronów. Te dwa rodzaje cząstek odpowiadają za większą część masy atomów, a więc i nas samych. Wszystkie cząstki naładowane przyciągają się bądź odpychają, wytwarzając pole elektromagnetyczne. Kwantowo oznacza to, że potrzebujemy jeszcze jednego rodzaju cząstek: fotonów, kwantów pola elektromagnetycznego. Szczególną cechą oddziaływań elektromagnetycznych jest ich długi zasięg: siła maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości (znane ze szkoły prawo Coulomba). Innym przykładem tak wolno malejących sił jest grawitacja i dlatego (nieodkryte dotąd) kwanty pola grawitacyjnego – grawitony – pod pewnymi względami powinny przypominać fotony. Problem grawitacji kwantowej nie został jednak dotąd rozwiązany i nie będziemy o nim mówić.

Oddziaływania

Dość szybko się wyjaśniło, że wyliczone wyżej cząstki nie wystarczają do opisu świata. Przede wszystkim oprócz sił elektromagnetycznych i grawitacyjnych muszą istnieć jakieś inne rodzaje oddziaływań. Dodatnio naładowane protony znajdują się bardzo blisko siebie w jądrze atomowym, a więc silnie się odpychają, a mimo to jądra są stabilne – fakt niesłychanie ważny, bo my sami składamy się z takich stabilnych jąder. Musi więc istnieć jakieś oddziaływanie sklejające protony i neutrony i musi ono być „silne”, aby pokonać odpychanie elektryczne. Nazwano je po prostu oddziaływaniem silnym. Nie wyczerpuje to listy oddziaływań: wiadomo, że niektóre jądra atomowe rozpadają się samorzutnie i przekształcają na inne lżejsze. Jest to zjawisko promieniotwórczości badane m.in. przez Marię Skłodowską-Curie. Oddziaływania związane z rozpadami są dużo słabsze, niż te dotąd opisywane, dlatego zyskały niezbyt pomysłową nazwę oddziaływań słabych. Ostatecznie mamy więc w przyrodzie cztery rodzaje oddziaływań: silne, elektromagnetyczne, słabe i grawitacyjne. Model Standardowy zajmuje się pierwszymi trzema. Jest jednolitą teorią cząstek i oddziaływań, stworzoną w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku.

Bozony i fermiony

Wszystkie cząstki w przyrodzie dzielą się na fermiony i bozony (od uczonych: Fermiego i Bosego). Pamiętamy, jak w komedii Moliera Mieszczanin szlachcicem pan Jourdain dowiedział się ze zdumieniem, że całe życie mówił prozą: bo co nie jest wierszem, jest prozą. Podobnie w fizyce: każda cząstka należy do jednej z wymienionych wyżej kategorii. Fermionami są elektrony, protony i neutrony – podstawowe składniki „zwykłej” materii. Mają one wszystkie tę cechę, że unikają się wzajemnie: np. elektrony w atomie nie mogą zajmować tego samego stanu, stąd powłoki elektronowe, co z kolei określa własności chemiczne danego pierwiastka. Bozonem jest natomiast foton. Bozony nie unikają się wzajemnie, dlatego można wytworzyć silną wiązkę światła za pomocą lasera. Oddziaływania są przenoszone przez bozony.

Elektrodynamika kwantowa

Elektrodynamika kwantowa jest kwantową teorią oddziaływań elektromagnetycznych. Jest jedną z najdokładniejszych teorii fizyki. Każdy elektron oprócz ładunku elektrycznego ma także moment magnetyczny (w namagnesowanym kawałku żelaza te momenty magnetyczne, które można sobie wyobrażać jako małe strzałki, ustawione są równolegle do siebie). Elektrodynamika kwantowa pozwala obliczyć wielkość momentu magnetycznego elektronu i wartość ta zgadza się z wynikami pomiarów z imponującą dokładnością kilkunastu cyfr znaczących. Co ważniejsze, teoria ta pozwala rozumieć, co się dzieje w różnych sytuacjach.

Czy warto szukać ogólnej teorii wszystkiego?

Fizycy dążą zawsze do zastąpienia wielu teorii jedną ogólniejszą. W ten sposób w XIX w. powstała klasyczna teoria elektromagnetyzmu, łącząc optykę, elektryczność i magnetyzm w jedną wspólną dziedzinę opisywaną kilkoma równaniami. Ten pęd ku uogólnieniom nie wynika jedynie z ambicji teoretyków: każdy kolejny szczebel oznacza ogarnięcie szerszego zakresu zjawisk i zrozumienie nowych aspektów świata. Bez klasycznej teorii elektromagnetyzmu nie odkryto by zapewne np. fal elektromagnetycznych – nie trzeba przekonywać, że nasza cywilizacja byłaby niemożliwa bez systemów łączności, telewizji, telefonów komórkowych czy sieci bezprzewodowych. Abstrakcyjne równania teorii mają więc zawsze istotne konsekwencje, również praktyczne – jak dzieje się zawsze, gdy uda nam się coś prawidłowo zrozumieć.

Trudności z oddziaływaniami słabymi

Oddziaływania słabe wydawały się naturalnym obszarem do uogólnienia elektrodynamiki. Są „słabe”, więc obliczenia powinny być łatwiejsze. Oddziaływania te w odróżnieniu od elektromagnetycznych mają jednak bardzo krótki zasięg, mniejszy od rozmiarów jądra atomowego. Jeśli oddziaływania mają niewielki zasięg, to należy oczekiwać, że przenoszące je cząstki, tzw. bozony W i Z, powinny mieć dużą masę.

Fotony są wyjątkowe: zawsze poruszają się z prędkością światła, nie można zaobserwować spoczywającego fotonu, mówi się w takich sytuacjach, że cząstka ma zerową masę (jest bezmasowa). Foton ma zerową masę. Bozony W i Z są pod tym względem zupełnie zwyczajne, mogą się poruszać z dowolną prędkością (mniejszą od prędkości światła) albo spoczywać.

Z wyjątkowością fotonu związany jest też inny, wyjątkowy fakt: fotony występują w dwóch stanach polaryzacyjnych, mogą być prawoskrętne albo lewoskrętne. W języku fizyki klasycznej mówi się o polaryzacji światła. Ponieważ w przypadku fal elektromagnetycznych wektor pola jest zawsze prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, możliwe są dwie niezależne polaryzacje.

Skoro bozony przenoszące oddziaływania słabe nie są bezmasowe, to powinny występować nie w dwóch, lecz w trzech stanach polaryzacyjnych. Jednak kiedy próbowano konstruować teorie, w których zakłada się od początku, że cząstki W i Z mają masę, modele takie okazywały się matematycznie wadliwe (w żargonie: nierenormalizowalne). Wydawało się, że sukcesu elektrodynamiki nie da się powtórzyć.

Spontaniczne łamanie symetrii

Chodzi o sytuację, w której symetria jest ukryta. Przykładem może być magnetyzm kawałka żelaza. Momenty magnetyczne w magnesie („strzałki”) mają najmniejszą energię, gdy ułożone są w tym samym kierunku co sąsiedzi. W wysokich temperaturach, gdy każda strzałka dysponuje dużą energią, jej ułożenie może być niemal dowolne. Gdy ogólna energia strzałek maleje, a wraz z nią temperatura, następuje coraz większe porządkowanie się strzałek. Wreszcie, w dostatecznie niskiej temperaturze, wszystkie wybierają jakiś jeden wspólny kierunek. Kierunek ten jest zupełnie dowolny. Strzałki mogły ustawiać się w każdym kierunku, w równaniach, które opisują ich zachowanie wszystkie kierunki są równouprawnione. Jednak namagnesowanie próbki ma jakiś jeden konkretny kierunek. Patrząc na taką próbkę, widzimy kierunek wyróżniony. Symetria obrotowa naszego układu jest tu ukryta albo spontanicznie złamana.

Z teoretycznego punktu widzenia jest to sytuacja atrakcyjna, ponieważ im bardziej symetryczne równania, tym większa nadzieja na ich rozwiązanie. Okazuje się także często, że bardziej symetryczne, elegantsze równania lepiej opisują rzeczywistość.

Meksykański kapelusz

Teoretycy sporo czasu spędzają na analizowaniu różnych przykładów, które są swoistymi eksperymentami myślowymi: wiadomo z góry, że nie będzie to opis rzeczywistego świata, warto jednak prześledzić konsekwencje jakichś założeń. Takim modelem może być np. pole skalarne, opisywane jedną liczbą w każdym punkcie przestrzeni. W najprostszej sytuacji możemy sobie wyobrazić, że pole jest wszędzie takie same. Energię można wówczas wykreślić w funkcji wartości pola. Wygląda to następująco:

Mamy dołek energii. Przy pewnej wartości pola energia osiąga minimum. Zakrzywienie wokół tego minimum informuje o masie: im bardziej strome są zbocza, tym większa masa cząstki kwantowej. Cząstka taka byłaby bozonem.
Można też przeanalizować bardziej skomplikowaną sytuację. Wyobraźmy sobie, że pole jest scharakteryzowane parą liczb, jego wartość można teraz przedstawić jako punkt na płaszczyźnie. Wykreślając energię jako wysokość nad płaszczyzną otrzymamy pewną powierzchnię. Ciekawe rezultaty uzyskuje się biorąc powierzchnię energii o kształcie przypominającym meksykańskie sombrero.

Punkty o najniższej energii leżą teraz na okręgu: każdy z tych punktów jest równie dobrym stanem o najniższej energii. Kapelusz ma oś symetrii, ale wybór dowolnego punktu na dnie kapelusza będzie oznaczał złamanie tej symetrii obrotowej. Załóżmy, że któryś z punktów został wybrany. Jeśli przesuniemy się w kierunku do środka albo na zewnątrz, będziemy musieli wspiąć się na zbocze powierzchni energii – a to oznacza, że odpowiednie cząstki kwantowe będą miały masę (tak jak w poprzednim przykładzie). Teraz jednak możemy także poruszać się wzdłuż doliny, co nie wymaga energii – kwantowo odpowiada to cząstkom o zerowej masie. Tak więc w przypadku meksykańskiego kapelusza z dwuskładnikowego pola dostajemy dwa rodzaje cząstek: jedne obdarzone masą, drugie bezmasowe. Ta pierwsza cząstka jest prototypem cząstki Higgsa, okazuje się, że także i ta druga jest niezbędna.

Higgs i inni

Do przedstawionego przed chwilą modelu można dołączyć coś, co wygląda na pole elektromagnetyczne. To dodatkowe pole, tak jak w przypadku fotonów, powinno mieć tylko dwie polaryzacje. Jednakże w połączeniu z cząstkami z meksykańskiego kapelusza staje się ono trójskładnikowe i zachowuje się tak, jakby miało masę. Otrzymujemy w ten sposób zamiast fotonów masywne bozony przenoszące oddziaływania, mimo że w wyjściowych równaniach nie było żadnej masy. Cud polega na swego rodzaju wchłonięciu cząstek bezmasowych z meksykańskiego kapelusza – od nich pochodzi trzecia brakująca polaryzacja. Po przegrupowaniu całości zostaje nam jeszcze jedna cząstka z meksykańskiego kapelusza, ta masywna. Jest to właśnie cząstka Higgsa.

Podsumowując: równania teorii wyglądają tak, jakby nasze cząstki nie miały masy, jednak dzięki mechanizmowi meksykańskiego kapelusza zarówno bozon Higgsa, jak i bozon pośredniczący uzyskują masę.

Wyniki te uzyskali w roku 1964 Peter Higgs, a także François Englert, Robert Brout, G. S. Guralnik, C. R. Hagen i T. W. B. Kibble (kłopot dla Komitetu Noblowskiego, nagrodę wolno przyznawać najwyżej trzem uczonym).

Praca Stevena Weinberga z 1967 roku

W zasadzie istniał więc w 1964 r. sposób, aby uzyskać masywne bozony pośredniczące, czyli to, co było potrzebne, by oddziaływania słabe i elektromagnetyczne połączyć w jedną teorię. Rzecz nie była jednak oczywista, opisany mechanizm Higgsa został zastosowany do prawdziwego świata dopiero trzy lata później przez Stevena Weinberga. Niezależnie pracowali nad tym problemem Abdus Salam i Sheldon Glashow, wszyscy trzej otrzymali nagrodę Nobla w 1979 roku.

Wydaje się, że z początku sami autorzy tej teorii nie byli pewni, czy jest ona prawdziwa. Praca Weinberga, która z czasem stała się najczęściej cytowaną pracą z fizyki, przez kilka lat nie była w ogóle dostrzegana, i to mimo faktu, że autor publikował już od dekady i nie był bynajmniej outsiderem. Główny kłopot polegał na tym, że nie było jasne, czy model tego rodzaju, choć formalnie podobny do elektrodynamiki kwantowej, jest dobrze określony w sensie matematycznym – czy jest renormalizowalny. Bez ustalenia tego faktu nie można było twierdzić, że mamy prawdziwą teorię. Weinberg wyraził w swym artykule silną nadzieję, że tak jest, ale nie potrafił tego wykazać. Przez kilka lat nikomu nie udawało się pokonać trudności matematycznych. Dokonali tego dopiero Martinus Veltman i Gerard ‚t Hooft w 1974 roku (otrzymali za to nagrodę Nobla w 1999 roku). Dopiero wtedy nastąpił przełom, widoczny też w liczbie cytowań pracy Weinberga. Do oddziaływań elektromagnetycznych i słabych dołączono wkrótce także i silne, ale to już inna opowieść.

Epilog: Cząstka Higgsa?

Mówiliśmy dotąd o tym, jak uzyskać bozony W i Z, nie psując teorii. Okazuje się, że za pośrednictwem pola Higgsa uzyskać można także masy fermionów. Nie dotyczy to nukleonów, które są zbudowane z kwarków za pomocą oddziaływań silnych. Ale np. elektrony nie oddziałują silnie i bez Higgsa nie miałyby masy. Jest to więc cząstka niezbędna do tego, aby cała skomplikowana konstrukcja Modelu Standardowego się nie rozsypała. Okazało się też, że warto mieć w pewnych sytuacjach krótkie anglosaskie nazwisko, najlepiej jednosylabowe – wszyscy mówią o cząstkach i mechanizmie Higgsa, zapominając o pozostałych odkrywcach.

Przez lata nagromadzono wiele danych wskazujących na sensowność tego modelu teoretycznego, zaczęto nawet nazywać go Modelem Standardowym. Dopiero teraz jednak eksperymentatorzy będą mogli przyjrzeć się bezpośrednio samej cząstce Higgsa. Latem 2012 doniesiono o odkryciu bozonu, który może okazać się poszukiwaną cząstką. Trzeba poczekać na dalsze doniesienia z CERN-u, nikt ich w tym nie ubiegnie, ponieważ nie ma na świecie drugiego takiego urządzenia.

Istnieje też sporo różnych uogólnień Modelu Standardowego, być może zaczniemy się dowiadywać, które z nich odpowiadają rzeczywistości. Niewykluczone, że sytuacja jest bardziej złożona, niż wynikałoby z najprostszej wersji Modelu Standardowego. Tak czy inaczej docieramy do podstawowych założeń całej fizyki cząstek, a więc w pewnym sensie i fizyki w ogóle. Każde rozstrzygnięcie w tym obszarze warte jest nie jednej, lecz wielu nagród Nobla i może sprawić, że zmieni się treść podręczników fizyki.