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


  Model standardowy to chwiejna podstawa
 
Model standardowy to chwiejna podstawa
 
M
oje ulubione przezrocze przedstawia odziane w  białe szaty bóstwo z  aureolą nad głową. Bóstwo przygląda się „Maszynie Wszechświata”. Ma ona około dwudziestu dźwigni – każdą z  nich można ustawić w  jednym z  kilku położeń – oraz przełącznik opatrzony napisem: „Naciśnij, a  stworzysz Wszechświat”. (Zaczerpnąłem ten pomysł od jakiegoś studenta, który na łazienkowej suszarce do rąk napisał: „Naciśnij, a  usłyszysz wiadomość od dziekana”). Chodzi o  to, że aby stworzyć Wszechświat, trzeba określić wartości około dwudziestu parametrów. Co to za liczby? Potrzebujemy tuzina liczb, by ustalić masy kwarków i  leptonów. Potrzebujemy trzech liczb, by zadekretować moc oddziaływań (czwarte oddziaływanie – grawitacja – nie należy do modelu standardowego, przynajmniej na razie). Potrzebujemy także kilku liczb, by pokazać, jak jedno oddziaływanie wiąże się z  innym. Przyda się też liczba określająca złamanie symetrii CP, masę cząstki Higgsa i  kilka innych pożytecznych rzeczy.
       Mając te podstawowe liczby, możemy z  nich wyprowadzić wszystkie inne potrzebne nam parametry, na przykład 2 w  wykładniku w  prawie odwrotnych kwadratów, masę protonu, rozmiar atomu wodoru, budowę cząsteczki wody, podwójną spiralę DNA, temperaturę zamarzania wody i  dochód narodowy brutto osiągnięty przez Albanię w  1995 roku. Nie mam pojęcia, jak otrzymać większość z  wyżej wymienionych liczb, ale od czego mamy te ogromne komputery...
       Nasze dążenie do prostoty sprawia, że niechętnie patrzymy na model Wszechświata, w  którym trzeba określić aż 20 parametrów. Żaden szanujący się Bóg nie zorganizowałby w  ten sposób maszyny do stwarzania wszechświatów. Jeden parametr, może dwa! Innymi słowy, nasze doświadczenie ze światem przyrody sprawia, że spodziewamy się bardziej eleganckiego rozwiązania. To na tym, jak już wielokrotnie narzekaliśmy, polega prawdziwy problem z  modelem standardowym. Oczywiście, wciąż jeszcze czeka nas mnóstwo pracy, aby dokładnie określić te parametry. Sam problem wszakże jest natury estetycznej: sześć kwarków, sześć leptonów, dwanaście nośników oddziaływania; kwarki występują w  trzech kolorach, a  do tego wszystkiego dochodzą jeszcze antycząstki. I gdzieś w  zakamarkach czai się grawitacja. Gdzie się podział Tales, teraz, kiedy naprawdę by się przydał?
       Dlaczego grawitacja nie należy do modelu? Bo nikomu jeszcze się nie udało jej – ogólnej teorii względności – zmusić, by zgodziła się z  teorią kwantową. Zagadnienie to jest jednym z  głównych zadań stojących przed teoretykami w  latach dziewięćdziesiątych. Żeby opisać Wszechświat w  jego obecnej, wielkiej skali, nie potrzebujemy teorii kwantowej; ale dawno, dawno temu, kiedy cały Wszechświat miał rozmiary nie większe niż atom, a  nawet był znacznie od niego mniejszy, nadzwyczajnie słabe oddziaływanie grawitacyjne dysponowało wielką mocą dzięki ogromnej energii cząstek, z  których powstały wszystkie planety, gwiazdy i  galaktyki. Tym pierwotnym wirem musiały rządzić zasady fizyki kwantowej, ale nie wiemy, w  jaki sposób. Teoretycy uważają mariaż ogólnej teorii względności z  teorią kwantową za centralny problem współczesnej fizyki. Próby teoretycznego rozwiązania tego zagadnienia znane są jako supergrawitacja, supersymetria, superstruny czy Teoria Wszystkiego.
       Mamy w  nich do czynienia z  wyrafinowanymi obliczeniami matematycznymi, które mogą zadziwić wielu – nawet najlepszych – matematyków świata. W  teoriach tych mówi się o  dziesięciu wymiarach: dziewięciu wymiarach przestrzennych i  jednym wymiarze czasowym. My żyjemy w  czterech wymiarach; w  trzech wymiarach przestrzennych (wschód-zachód, północ-południe oraz góra-dół) i  w  jednym wymiarze czasowym. W  żaden sposób nie potrafimy wyobrazić sobie więcej niż trzech wymiarów przestrzennych. Nie szkodzi. Dodatkowych sześć wymiarów uległo zwinięciu do niewyobrażalnie małych rozmiarów, tak że nie ma po nich nawet śladu w  znanym nam świecie.
       Współcześni teoretycy mierzą bardzo wysoko: szukają teorii, która opisywałaby pierwotną prostotę niewyobrażalnego żaru panującego w  bardzo młodym Wszechświecie; szukają teorii pozbawionej parametrów. Wszystko ma się wyłonić z  podstawowego równania, wartości parametrów mają wyniknąć z  teorii. Jednak problem tkwi w  tym, że jedyna kandydatka do miana teorii wszystkiego nie ma żadnego związku ze światem dostępnym obserwacjom; przynajmniej na razie. Choć w  jednym drobnym przypadku teoria ta może mieć zastosowanie: chodzi o  wyimaginowaną dziedzinę, zwaną przez koneserów masą Plancka. Jest to dziedzina, w  której wszystkie cząstki we Wszechświecie mają energię tysiąc bilionów razy większą niż ta, którą spodziewamy się osiągnąć w  nadprzewodzącym superakceleratorze. Nasza teoria sprawdza się tam przez około bilionową bilionowej bilionowej części sekundy. Wkrótce potem wszystko się miesza, pojawia się zbyt wiele możliwości i  brak wyraźnej drogi rozwoju, która wskazywałaby na to, że my, ludzie, planety oraz galaktyki rzeczywiście jakoś z  tej teorii wynikamy.
       W  połowie lat osiemdziesiątych Teoria Wszystkiego wydawała się szalenie pociągająca dla całych zastępów młodych teoretyków. Mimo ryzyka długoletnich poświęceń, które mogły nie przynieść żadnych istotnych efektów, ruszyli śladem przywódców (niczym lemingi, można powiedzieć) na poszukiwanie masy Plancka. My, którzy pozostaliśmy w  domu – w  Fermilabie i  w  CERN – nie dostaliśmy żadnych kartek z  podróży. Lecz po pewnym czasie w  szeregi teoretyków zaczęło się wkradać zniechęcenie. Niektórzy z  wyznawców Teorii Wszystkiego rezygnowali, a  wkrótce zaczęły nadjeżdżać autobusy pełne zawiedzionych teoretyków szukających czegoś konkretnego do policzenia. Cała przygoda jeszcze się nie zakończyła, ale obecnie przebiega znacznie spokojniej. Jednocześnie sprawdzane są nieco bardziej tradycyjne drogi wiodące do unifikacji.
       Owe bardziej popularne drogi prowadzące do kompletnej, wszechobejmującej zasady noszą fantastyczne nazwy. Wymienię tylko kilka z  nich: wielka unifikacja, modele preonowe, supersymetria i  technikolor. Wszystkie te teorie mają jeden wspólny problem – brak danych! Z  teorii grubym strumieniem wypływają przewidywania. Na przykład supersymetria (pieszczotliwie zwana Susy) przewiduje ni mniej, ni więcej tylko podwojenie liczby cząstek; jest to teoria, która cieszy się wśród teoretyków (gdyby głosowali; czego jednak nie robią) największym powodzeniem. Jak już mówiłem, kwarki i  leptony, zbiorowo zwane fermionami, mają spin równy 1/2, podczas gdy spin cząstek przenoszących oddziaływania, zwanych en mass bozonami, równa się 1. W  Susy ta asymetria została usunięta: zaproponowano, że dla każdego fermionu istnieje bratni bozon i  na odwrót. Nazwy są wprost fantastyczne. Partner przydzielony przez Susy elektronowi nosi imię selektronu, a  superbracia leptonów są nazywani sleptonami. Partner kwarka to skwark. Półspinowi odpowiednicy całospinowych bozonów otrzymali przyrostek „-ino”. Tak więc gluonom towarzyszą gluina, a  fotonom – fotina. Mamy też Wino (od cząstki W) i  Zino. Ta teoria jest nie tylko urocza, jest także popularna.
       Poszukiwania win i  skwarków będą trwały w  latach dziewięćdziesiątych. W  tym czasie tewatron zwiększy swą moc i  zaczną pracować urządzenia XXI wieku. Budowany w  Teksasie nadprzewodzący superakcelerator (SSC) umożliwi eksplorację „obszaru mas” dochodzących do 2 TeV. Definicja obszaru mas jest bardzo luźna, wiele zależy od szczegółów reakcji, w  której powstaje nowa cząstka. Jednak oznaką potęgi SSC jest to, że jeśli nie uda się znaleźć żadnych cząstek przewidywanych przez Susy, większość jej zwolenników porzuci teorię, publicznie łamiąc swoje ołówki.
       Przed SSC stoi także inne zadanie: misja bardziej nie cierpiąca zwłoki niż szukanie skwarków i  sleptonów. Model standardowy, będący zwięzłym streszczeniem całej naszej wiedzy, ma dwa poważne defekty: estetyczny i  konkretny. Nasz zmysł estetyczny mówi, że istnieje zbyt wiele cząstek i  oddziaływań. Co gorsza, liczne cząstki różnią się między sobą w  sposób przypadkowy masami. Nawet oddziaływania różnią się między sobą; głównie z  tego powodu, że ich nośniki mają różne masy. Problem konkretny wiąże się z  niespójnością całego modelu standardowego. Jeśli zwrócimy się do teorii pola – imponująco zgodnej ze wszystkimi danymi doświadczalnymi – z  prośbą, by przewidziała wyniki eksperymentów odbywających się przy bardzo wysokich energiach, otrzymamy rezultaty całkowicie absurdalne z  fizycznego punktu widzenia. Oba problemy można naświetlić – a  nawet, przypuszczalnie, rozwiązać – za pomocą obiektu (oraz  oddziaływania), który trzeba bez dalszego ociągania włączyć do modelu standardowego. Obiekt i  oddziaływanie noszą to samo imię: Higgs.
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