Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
I wreszcie Boska
Cząstka

Wyjątki z agonii
modelu
standardowego

Ukryta prostota:
upojenie modelem
standardowym

Model standardowy
A. D. 1980

Chimera unifikacji
Cechowanie
Wytropić W
Carlo i goryl
Przejażdżka na
numerze 29

Triumf
Zwieńczenie modelu
standardowego

O co tu chodzi?
Poszukiwania kwarka t
Model standardowy to
chwiejna podstawa

I wreszcie...
Kryzys masowy
Kryzys unitarności?
Kryzys Higgsa
Dygresja o niczym
Znaleźć Higgsa
Pustyniatron
Prezydent Reagan
i superakcelerator:
prawdziwa historia

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Kryzys masowy
 
Kryzys masowy
 
J
uż wcześniej sugerowałem, że funkcja cząstki Higgsa miałaby polegać na nadawaniu cząstkom masy i  przez to – na ukrywaniu prawdziwej symetrii świata. To nowa i  dziwaczna koncepcja. Dotychczas – jak się przekonaliśmy, studiując naszą mityczną historię poszukiwań demokrytejskiego atomu – gdy odkrywaliśmy kolejne, coraz głębsze struktury, zbliżaliśmy się do prostoty. Tak więc przeszliśmy od molekuł, przez atomy chemiczne, do jądra i  protonu oraz neutronu (i  ich licznych greckich krewnych), a  wreszcie do kwarków. Na podstawie tego doświadczenia historycznego moglibyśmy się spodziewać, że teraz znów odkryjemy jakichś malców we wnętrzu kwarków, co jest całkiem możliwe. Ale tak naprawdę nie sądzimy, żeby w  ten właśnie sposób ujawniła się długo oczekiwana teoria świata. Świat jednak bardziej przypomina kalejdoskop, o  czym już wcześniej wspominałem, w  którym lusterka przekształcają kilka okruchów kolorowych szkiełek w  wielkie mnóstwo pozornie skomplikowanych wzorów. Ostatecznym celem Higgsa (to już nie nauka, lecz filozofia) mogłoby być stworzenie bardziej interesującego, bardziej złożonego świata, jak to sugeruje przypowieść otwierająca ten rozdział.
       Nowością jest hipoteza, że cała przestrzeń zawiera pole – pole Higgsa – które przenika próżnię i  jest wszędzie jednakowe. Oznacza to, drogi Czytelniku, że kiedy podziwiasz gwiazdy w  bezchmurną noc, patrzysz przez pole Higgsa. Pod jego wpływem cząstki stają się masywne. Samo w  sobie nie jest to niczym nadzwyczajnym, skoro cząstki mogą zyskiwać energię za sprawą omawianych wcześniej pól (cechowania), pola grawitacyjnego czy elektromagnetycznego. Jeśli wniesiesz kawał ołowiu na szczyt wieży Eiffla, zyskuje on energię potencjalną na skutek zmiany położenia w  polu grawitacyjnym Ziemi. Ponieważ E = mc2, ów przyrost energii potencjalnej jest równoważny przyrostowi masy. W  danym przykładzie chodzi o  wzrost masy układu Ziemia-kawał ołowiu.
       W  tym miejscu musimy delikatnie wprowadzić skomplikowaną interpretację sędziwego równania Einsteina. Masa, m, tak naprawdę składa się z  dwóch części. Jedna z  nich to masa spoczynkowa m0. To właśnie tę masę mierzy się w  laboratorium, gdy cząstka znajduje się w  stanie spoczynku. Drugi rodzaj masy jest nabywany podczas ruchu (dzieje się tak na przykład z  protonem w  tewatronie) lub za sprawą zwiększania się energii potencjalnej w  polu. Podobną dynamikę obserwujemy w  jądrze atomowym. Jeśli na przykład rozdzielimy proton i  neutron, które razem składają się na jądro deuteru, suma ich mas wzrasta.
       Jednak sposób, w  jaki pole Higgsa nadaje cząstkom energię potencjalną, różni się pod kilkoma względami od działania innych, lepiej znanych nam pól. Masa, którą cząstki otrzymują od pola Higgsa, to masa spoczynkowa. Najbardziej intrygująca jest możliwość, że cała masa spoczynkowa pochodzi od tego pola. Inna różnica polega na tym, że różne cząstki „wysysają” z  pola różną ilość masy. Teoretycy mówią, że rozmaite masy występujące w  naszym modelu standardowym stanowią miarę siły sprzęgania się cząstki z  polem Higgsa.
       Wpływ, jaki Higgs wywiera na masy kwarków i  leptonów, przypomina odkrycie Pietera Zeemana z  1896 roku. Mam na myśli rozszczepienie poziomów energetycznych elektronu umieszczonego w  polu magnetycznym. Pole (odgrywające metaforyczną rolę Higgsa) łamie symetrię przestrzeni, którą zajmuje elektron. Pod wpływem magnesu jeden poziom energetyczny rozszczepia się na trzy. Poziom A  zyskuje energię od pola, poziom B  mu ją oddaje, a  C wcale się nie zmienia. Oczywiście, wiemy już dokładnie, jak to się dzieje. To całkiem prosty efekt kwantowo-elektromagnetyczny.
       Na razie nie wiemy, jakie reguły rządzą wzrostem masy wywoływanym przez Higgsa. Ale nie daje nam spokoju pytanie: dlaczego te masy – masa cząstek W+, W, Z0, kwarków u, d, c, s, t i  b  oraz leptonów – nie tworzą żadnego wyraźnego porządku? Masy te wynoszą od 0,0005 GeV w  przypadku elektronu do ponad 91 GeV w  przypadku kwarka t.* Należy przypomnieć, że ta dziwaczna koncepcja – pola Higgsa – została z  wielkim powodzeniem zastosowana przy formułowaniu teorii oddziaływania elektrosłabego. Wtedy zaproponowano Higgsa jako środek pozwalający na ukrycie jedności oddziaływania elektromagnetycznego i  słabego. W  stanie jedności istnieją cztery pozbawione masy cząstki – W+, W, Z0 i  foton – które przenoszą oddziaływanie elektrosłabe. Pojawia się pole Higgsa i  – presto! – cząstki W  oraz Z  wsysają esencję Higgsa i  robią się ciężkie. Foton pozostaje nie zmieniony. Oddziaływanie elektrosłabe rozpada się na słabe (słabe, bo cząstki je przenoszące są tak ciężkie) i  elektromagnetyczne, którego własności są określone przez pozbawiony masy foton. Symetria spontanicznie ulega złamaniu – mówią teoretycy. Ja wolę stwierdzenie, że Higgs ukrywa symetrię przez swą moc nadawania masy. Masy cząstek W  i  Z  zostały dokładnie przewidziane przez teorię oddziaływania elektrosłabego. A  odprężone uśmiechy na twarzach teoretyków mówią nam, że 't  Hooft i  Veltman wykazali, iż cała ta teoria jest wolna od nieskończoności.
       Zatrzymuję się tak długo nad problemem masy, bo towarzyszył mi on przez cały czas mojej pracy zawodowej. W latach czterdziestych zagadnienie zdawało się być dobrze określone. Mieliśmy dwie cząstki, które ilustrowały zagadkę masy. Elektron i  mion wydawały się pod każdym względem takie same, z  tym że mion jest dwieście razy cięższy od swego chuderlawego kuzyna. Fakt, że są to leptony, które ignorują oddziaływanie silne, czynił całe zagadnienie jeszcze bardziej intrygującym. Problem ten nie dawał mi spokoju i  mion został moim ulubionym obiektem badań. Chciałem znaleźć jakąś różnicę w  zachowaniu mionów i  elektronów, która mogłaby stanowić wskazówkę pozwalającą wyjaśnić różnicę ich mas.
       Jądro czasem chwyta elektron, wskutek czego powstaje neutrino i  wzbudzone jądro. Czy to samo może się przydarzyć mionowi? Badaliśmy proces wychwytywania mionów i  proszę – to samo! Wysokoenergetyczna wiązka elektronów rozprasza się na protonach. (Tę reakcję badano na Uniwersytecie Stanforda). Przeprowadziliśmy tę samą reakcję w  Brookhaven, używając mionów. Zanotowaliśmy niewielką różnicę, która zwodziła nas przez lata, ale nic z  tego nie wyniknęło. Odkryliśmy nawet, że elektron i  mion mają oddzielnych partnerów – neutrina. Omawiałem już superprecyzyjny eksperyment „g  minus 2”, w  którym zmierzony został moment magnetyczny mionu i  porównany z  momentem magnetycznym elektronu. Wyjąwszy efekt wynikający z  różnicy masy, są one jednakowe.
       Wszystkie wysiłki mające na celu znalezienie wskazówki wyjaśniającej pochodzenie masy spełzały na niczym. W  pewnym momencie Feynman napisał swą słynną rozprawę Dlaczego mion waży? Teraz przynajmniej mamy częściową – w  żadnym razie nie kompletną – odpowiedź. Słychać stentorowy głos: „To Higgs!” Przez pięćdziesiąt lat głowiliśmy się nad zagadką pochodzenia masy, a  teraz pole Higgsa ukazuje nam problem w  nowym świetle. Teraz już nie chodzi tylko o  mion, Higgs stanowi wspólne źródło wszelkich mas. Nowe pytanie Feynmana mogłoby brzmieć: Jak pole Higgsa determinuje najwyraźniej pozbawioną porządku sekwencję mas nadawanych cząstkom materii?
       Zmienność masy w  zależności od rodzaju ruchu, zależność masy od konfiguracji układu oraz to, że niektóre cząstki – foton na pewno, przypuszczalnie także neutrino – mają zerową masę, wszystkie te czynniki razem wzięte podają w  wątpliwość pojęcie masy jako fundamentalnej cechy materii. Musimy też przypomnieć sobie o  problemach z  obliczeniami, w  których wychodziła nieskończona masa i  których nigdy nie rozwiązaliśmy, tylko pozbyliśmy się kłopotu poprzez renormalizację. Mając to wszystko na uwadze, stawiamy czoło problemowi kwarków, leptonów i  nośników oddziaływania, które różnią się masami. W  tej sytuacji hipoteza dotycząca Higgsa – że masa nie jest fundamentalną własnością cząstek, lecz nabytą poprzez oddziaływanie ze swym otoczeniem – daje się łatwiej obronić. Koncepcja mówiąca, że masa nie jest fundamentalną własnością materii, jak ładunek czy spin, staje się jeszcze bardziej wiarygodna w  świetle idyllicznej wizji kwarków i  leptonów zupełnie pozbawionych masy. W  takiej sytuacji wszystkie cząstki byłyby podporządkowane zadowalającej symetrii, symetrii chiralnej, w  której spiny cząstek są niezmiennie związane z  ich kierunkiem ruchu. Ale Higgs ukrywa tę idyllę.
       Ach, jest jeszcze jedna sprawa. Mówiliśmy o  bozonach cechowania i  ich spinie równym jedności. Omawialiśmy także cząstki materii, zwane fermionami (spin równy 1/2). Do której z  tych grup należy zaliczyć Higgsa? Jest on bozonem o  spinie równym zeru. Spin implikuje, że cząstka jest w  jakiś sposób zorientowana w  przestrzeni, ale pole Higgsa nadaje masę ciałom niezależnie od ich położenia, bez względu na kierunek. Z  tego powodu nazywa się go czasem bozonem skalarnym.

* Najnowsze pomiary określają masę kwarka t na 180 GeV (przyp. red.).
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach