W styczniu w Instytucie Fizyki UŚ rozpoczęła się kolejna edycja wykładów popularnonaukowych "Z najlepszymi przez fizykę". Pierwszy z nich pt. "Co dalej z fizyką cząstek - czy LHC udzieli na to pytanie odpowiedzi?" wygłosił prof. dr hab. Marek Zrałek

Ludzie od zawsze pragnęli zrozumieć, z czego składa się wszystko to, co nas otacza, chcieli wiedzieć, jakie jest pochodzenie wszechświata. Takie pytania przekraczają wszelkie kultury i bariery czasowe. Były interesujące dla starożytnych w Mezopotamii, w Egipcie, Chinach i w Grecji, są również interesujące dla współczesnych badaczy. W ciągu ostatniego wieku, począwszy od odkrycia elektronu na przełomie XIX i XX wieku, po ostatnie odkrycia neutrina typu "tau" (w 2000 roku), została stworzona teoria podstawowych składników materii i ich oddziaływań zwana Modelem Standardowym (MS). Badania, które doprowadziły do powstania tej teorii, były w szczególny sposób doceniane. Zostały przyznane aż 22 nagrody Nobla za odkrycia kolejnych składników materii (pierwsza w 1906 roku dla J. Thomsona za odkrycie elektronu i ostatnia w 2002 roku dla R. Davisa oraz M. Koshiby za pokazanie, iż neutrina posiadają różną od zera masę) oraz siedem tych najwyższych nagród naukowych, za wyjaśnienie oddziaływań pomiędzy nimi (począwszy od H. Yukawy za podanie pierwszej teorii oddziaływań jądrowych (w 1935 roku) do ostatniej dla G. Ôt Hoofta oraz M. Veltmana w 1999 roku za dowód renormalizowalności MS, specjalnej własności pozwalającej wykonywać precyzyjne obliczenia). MS był już kompletny w latach 70. poprzedniego stulecia i od tego czasu coraz precyzyjniej weryfikowany doświadczalnie.

Według naszej obecnej wiedzy podstawowe składniki materii to trzy rodziny kwarków i leptonów. W skład pierwszej rodziny wchodzą kwarki typu u (=up) oraz d (=down) i leptony - elektron e i jego neutrino v_e. Wszystkie trzy rodziny pokazane są na Rys. 1.

Pozostałe dwie rodziny, składające się z cięższych kwarków i leptonów, nie występują w materii spotykanej we wszechświecie. Rozpadły się zaraz po Wielkim Wybuchu, a obecnie są jedynie sztucznie wytwarzane w laboratoriach.

Od kilkudziesięciu lat testujemy doświadczalnie MS i nie znajdujemy najmniejszych odstępstw od jego przewidywań. W wielu laboratoriach na świecie w SLAC-u i Fermilabie w Stanach Zjednoczonych, w CERN-ie i DESY w Europie i w Superkamiokande w Japonii wykonujemy eksperymenty sprawdzające oddziaływanie kwarków i leptonów potwierdzając, z dokładnością do części procenta, zgodność MS. Jeden element tego modelu, a mianowicie tzw. cząstka Higgsa, nie została do tej pory doświadczalnie zaobserwowana. Nie znamy jej masy, która pozostaje swobodnym parametrem, dopasowywanym do danych eksperymentalnych. Jest to podstawowa cząstka teorii. Oddziaływanie z nią powoduje, że wszystkie kwarki i leptony i część bozonów stają się cząstkami masywnymi.

Oddziaływanie jest przenoszone przez tzw. bozony pośredniczące, widoczne po prawej stronie Rys. 1. Osiem bezmasowych gluonów (glue - ang. klej) przenosi oddziaływania silne odpowiedzialne między innymi za wiązanie protonów i neutronów w jądrach atomowych. Tylko kwarki podlegają oddziaływaniom silnym. Każdy z sześciu widocznych na Rys. 1 kwarków występuje w trzech różnych stanach, które ze względu na analogię nazywamy kolorem. Dalej mamy bezmasowy foton odpowiedzialny za oddziaływanie elektromagnetyczne. Foton sprzęga się tylko z cząstkami posiadającymi ładunek elektryczny a więc z kwarkami i naładowanymi leptonami, elektronem, mionem i cząstką "tau". Nazwa "lepton" miała oznaczać lekkie cząstki (leptoĘV (grecki - mały, delikatny). Oddziaływanie elektromagnetyczne, a więc wymieniane fotony, odpowiedzialne jest za całą strukturę materii, za kształt przedmiotów, ich twardość, kolor czy też zapach. I wreszcie trzeci rodzaj oddziaływań - oddziaływanie słabe, przenoszone są przez trzy bardzo ciężkie bozony W± oraz Z0. Mają masę porównywalną z masami średniej wielkości jąder atomowych kryptonu i cyrkonu. Ich wielka masa powoduje, że oddziaływania są krótkozasięgowe i przez to bardzo słabe. Takie oddziaływanie odpowiedzialne jest za rozpad beta jąder, decydujący w dużej mierze o sztucznej i naturalnej promieniotwórczości. Wszystkie cząstki oddziałują także grawitacyjnie. To najlepiej znane ze świata makroskopowego oddziaływanie, pozostaje zupełną tajemnicą w mikroświecie. Nie wiemy, na czym polega kwantowy mechanizm oddziaływania grawitacyjnego. Widoczny na Rys. 1 grawiton jest tylko sugestią, że to oddziaływanie także polega na wymianie cząstek. Nie ma jednak na to żadnych eksperymentalnych dowodów. Grawitacja nie wchodzi więc w skład MS i została trochę na wyrost umieszczona na Rys.1, dla zaznaczenia, że prędzej czy później dołączy do szacownego grona.

Rys.1 Trzy rodziny kwarków i leptonów oraz ich oddziaływania. Podane są masy i ładunki elektryczne fermionów oraz bozonów przenoszących oddziaływania. Wszystkie cząstki oddziałują też grawitacyjnie, ale pośrednik tych oddziaływań, grawiton, nie jest do tej pory znany.

Tak świetnie ugruntowany model struktury i oddziaływania podstawowych cegiełek materii, testowany w setkach doświadczeń i doskonale zgadzający się z ich wynikami, nie jest powszechnie uważany za teorię ostateczną. Istnieją ku temu różne powody. Wewnątrz modelu, w fizyce cząstek elementarnych, powody są czysto estetyczne. Obecna teoria nie odpowiada na szereg istotnych pytań. Dlaczego istnieją tylko trzy generacje kwarków i leptonów, dlaczego kwarki mają kolor, dlaczego kwantowany jest ładunek elektryczny, dlaczego stałe fizyczne mają swoje specyficzne wartości, dlaczego łamana jest symetria CP - odbicia zwierciadlanego (oznaczana przez P) i zamiany cząstek w antycząstki (oznaczana C), to tylko niektóre z nich. I najważniejsze z tych pytań - jaki jest mechanizm powstawania masy cząstek? Jak to jest, że takie cząstki jak np. elektron i kwark "t" są w takim samym stopniu elementarne, a posiadają masy tak znacznie różniące się od siebie. Dlaczego część cząstek przenoszących oddziaływania (foton i gluony) są bezmasowe a inne cząstki o podobnej roli (W±, Z₀) mają masę średniej wielkości jąder atomowych? Poza tym pytanie o masę cząstek elementarnych ma szerszy kontekst. Rozmiary atomów, a stąd wielkość wszystkiego co nas otacza, zależą od masy elektronu. Istnienie stabilnych i rozpadających się jąder, a także ich czasy życia, zależą od mass cząstek W± oraz Z0. Można sobie tylko wyobrażać, co by się stało gdyby masy tych cząstek były mniejsze. W MS masy są generowane poprzez oddziaływanie początkowo bezmasowych pól kwantowych z cząstkami Higgsa. Wykrycie tej cząstki ma więc pierwszorzędne znaczenia dla rozwikłania problemu masy.

Oprócz tych wewnętrznych pytań, które stawia MS, mamy jeszcze problemy innej natury. Chcielibyśmy, aby teoria podstawowych cegiełek materii miała własności uniwersalne, aby z niej, przynajmniej w zasadzie, można było wywnioskować zachowanie się wszystkiego, co jest we wszechświecie, łącznie z nim samym. I wtedy mamy problemy poważniejsze, już nie tylko estetycznej natury. Po pierwsze, w taki sam kwantowy sposób powinniśmy opisywać oddziaływania grawitacyjne. Przy obecnie osiągalnych laboratoryjnie energiach, kwantowe efekty grawitacji nie mają żadnego znaczenia. Przy znacznie większych energiach, takich, jakie np. panowały zaraz po Wielkim Wybuchu, wszystko się zmienia i grawitacja jest tak samo istotna jak wszystkie inne oddziaływania. Połączenie znanych oddziaływań z kwantową grawitacją wydaje się być obecnie najgłębszym problemem fizyki.

Obecne obserwacje astrofizyczne wskazują, iż około 96% materii we wszechświecie nie jest opisywana kwarkami i leptonami MS. Niewidoczna materia we wszechświecie, powoduje standardowe przyciąganie grawitacyjne (tzw. ciemna materia) a także zupełnie nieznane odpychanie grawitacyjne (tzw. ciemna energia). Identyfikacja tej materii to jeden z ważniejszych problemów w fizyce cząstek i kosmologii.

Rys.2. Po lewej stronie przedstawiony jest plan LHC w CERN. Czerwona krzywa pokazuje ulokowany 100 m pod ziemią tunel o długości prawie 27 km. W tunelu tym umieszczone są dipole (zdjęcie po prawej stronie), w których bardzo silne, zmienne pole elektryczne przyspiesza protony lub jony ołowiu w jedną i drugą stronę oraz potężne pole magnetyczne utrzymujące zakrzywioną wiązkę cząstek wewnątrz pierścienia.

I kolejna rzecz, która musi być rozwikłana przez przyszłe eksperymenty. Materia wykreowana po Wielkim Wybuchu składała się z równej liczby cząstek i antycząstek. Wszelkie obserwacje wskazują jednak, że wszechświat jest zbudowany z materii, antymateria zniknęła. Prawa fizyki dopuszczają taką możliwość, ale jeden warunek musi być spełniony, symetria CP powinna być silnie złamana. MS przewiduje łamanie tej symetrii, ale jest ono zbyt słabe. Odpowiedzi na te pytania, niezależnie od tego jak pięknymi hipotezami dysponujemy, musi przynieść eksperyment.

W maju zostanie uruchomiony największy akcelerator, jaki kiedykolwiek zbudowano na ziemi - LHC (od angielskich słów Large Hadron Collider) w CERN-ie (Rys. 2). Jest to najdroższe i największe urządzenie badawcze skonstruowane do tej pory przez człowieka. Będzie on zderzać protony - każdy z energią 7 TeV oraz jądra ołowiu o łącznej energii 1150 TeV, stwarzając warunki, jakie panowały we wszechświecie w momencie krótszym niż jedna bilonowa część sekundy po Wielkim Wybuchu. Energię 1 TeV-y posiada lecący średniej wielkości komar. Jeżeli uświadomimy sobie z ilu nukleonów taki komar jest zbudowany, to energia 7 TeV dla jednego protonu budzi respekt, tym bardziej gdy dodamy, że porusza się on z prędkością 9.9999991 prędkości światła. Wielka energia i duża liczba zderzających się cząstek (zderza się 600 milionów protonów w każdej sekundzie) dadzą, jak sądzimy, odpowiedź na część przedstawionych pytań.

Gdyby rejestrować rekordy w księdze Guinnesa, LHC dostarczyłoby ich kilka. Największy akcelerator, najdroższe urządzenie służące badaniom, próżnia wielkiej objętości, jakiej nie ma w naszej Galaktyce, najniższa temperatura rekordowa w skali wszechświata a po zderzeniu protonów najgorętsze miejsce w Drodze Mlecznej i na końcu, największe tak rozległe pole magnetyczne, żeby tylko wymienić kilka z nich, nie wchodząc w szczegóły.

Efekty zderzeń wszystkich 600 mln protonów na sekundę należy zaobserwować. Przy poszukiwaniu określonego zjawiska fizycznego, niewiele z nich jest interesujących, ale zbadać trzeba wszystko. Przy tak dużej energii zderzenia produkuje się na ogół kilkadziesiąt cząstek. Każdą należy zidentyfikować, znaleźć kierunek jej lotu, określić jej masę i energię. Służą do tego następne urządzenia zwane detektorami. Przy LHC działać będą cztery bardzo duże i dwa mniejsze detektory. Na ogół każdy z nich nastawiony jest na obserwacje różnych efektów. Tutaj też zostały pobite kolejne rekordy - zbudowano największy do tej pory detektor na świecie, wykonujący niezwykle precyzyjne pomiary. Mamy specyficzny paradoks - aby mierzyć dokładnie rzeczy małe, musimy budować ogromne urządzenia. Na Rys. 3 pokazane są rozmiary dwóch detektorów o wdzięcznej nazwie ATLAS i CMS. Ten mniejszy, ze względu na inny sposób pomiaru, ma rekordową wagę, 12.5 tys. ton. Wyniki otrzymane z tego detektora analizować też będzie rekordowa liczba fizyków, prawie 2000 osób ze 182 instytutów badawczych z 38 krajów.

I jeszcze jedna rzecz, która, jak sądzę, będzie w przyszłości szeroko wykorzystywana, być może już niedługo także w naszych domach. Szybka analiza bardzo dużej ilości danych wymaga użycia dziesiątków tysięcy komputerów. Potrzebne komputery już są, tyle że nie na miejscu w CERN-ie, ale w wielu ośrodkach na świecie. Istnieje więc konieczność szybkiego przesyłania wielkiej ilości danych. Tradycyjny internet i system www już nie wystarczą. W CERN-ie powstaje nowy system o nazwie Grid (sieć - ang.).

Eksperyment ruszy w połowie tego roku. Pierwsze istotne wyniki fizyczne pojawią się dopiero w przyszłym roku, a dobrze sprawdzone z małym błędem, za parę lat. Już teraz z niecierpliwością ich oczekujemy. Czego się spodziewamy?

Rys. 3. Porównanie rozmiarów dwóch detektorów. Ten większy-ATLAS, ma 46 m długości i 25 m wysokości i szerokości. Obydwa detektory będą poszukiwać cząstek Higgsa, cząstek ciemnej materii a także innych rozszerzeń MS, takich choćby jak istnienie więcej niż czterech wymiarów czasoprzestrzeni.

Po pierwsze zobaczymy nasz wszechświat zaraz po Wielkim Wybuchu, po czasie mniejszym niż 10-12sek. Wprawdzie najciekawsze nieznane rzeczy działy się jeszcze wcześniej, ale mimo wszystko i to dobre. Zobaczymy Wszechświat, który miał konsystencje zupy kwarkowo-leptonowo-gluonowo-fotonowej. Taki stan nazywamy plazmą. Wszystkie cząstki były początkowo bezmasowe i stopniowo, poprzez oddziaływanie z cząstkami Higgsa, nabywały masę. Następnie ciężkie kwarki i leptony rozpadały się, a najlżejsze kwarki zaczęły tworzyć protonu i neutrony, przyszłe składniki jąder. Każdy czytający te słowa ma pamiątkę po tamtych czasach, protony z początkowych chwil wszechświata.

Druga fundamentalna kwestia, którą LHC być może rozwiąże, to kwestia braku antymaterii we wszechświecie. Jeden z eksperymentów przy LHC będzie precyzyjnie mierzyć złamanie symetrii CP potrzebnej do otrzymania materialnego wszechświata. Precyzja tego eksperymentu pozwala mieć nadzieję, że zostanie odkryty także inny niż w MS mechanizm jej łamania, na tyle silny, że będzie w stanie powiedzieć coś o pojawieniu się asymetrii materia - antymateria we wczesnym wszechświecie. Spodziewamy się więc, że i ta zagadka, podstawowa dla wyjaśnienia naszej egzystencji, znajdzie swoje rozwiązanie.

Jak wspomnieliśmy na wstępie, jedna z podstawowych kwestii współczesnej fizyki to wyjaśnienie kwantowej grawitacji. LHC nie dysponuje aż tak dużą energią, aby być pewnym rozwikłania tej zagadki. Być może jednak uda się sondować częściowo ten trudny problem i odpowiedzieć na pytania, dlaczego grawitacja jest tak słaba w porównaniu z innymi oddziaływaniami. Istnieją hipotezy, że nasza czasoprzestrzeń jest więcej niż 4-wymiarowa. W takich modelach grawitacja działa w dodatkowych wymiarach, szczątkowo dając o sobie znać w dobrze nam znanej czasoprzestrzeni. We wszystkich tego rodzaju teoriach pojawiają się dodatkowe cząstki, a także inne egzotyczne obiekty jak np. mini czarne dziury, które w LHC powinny dać o sobie znać, gdy hipoteza dodatkowych wymiarów jest prawdziwa. W taki, trochę pośredni sposób, dowiedzielibyśmy się, czemu grawitacja jest słaba a także, jaka teoria z dodatkowymi wymiarami opisuje zaobserwowane efekty. W konsekwencji dostalibyśmy informacje o przyszłej wspólnej kwantowej teorii cząstek i oddziaływań grawitacyjnych.

Następną rzeczą, którą LHC ma szanse rozwikłać, to problem ciemnej materii we wszechświecie. Obserwacje astrofizyczne uświadamiają nam problem, ale nie mogą go rozwiązać. Istnieją różne teorie mówiące o tym, co stanowi ową ciemną materię. Jedną, najbardziej popularną z nich jest tzw. Supersymetryczne uogólnienie MS gdzie cząstkami ciemnej materii mogą być tzw. neutralina. Jeżeli ta teoria się potwierdzi i neutralina zostaną odkryte, prawdopodobnie rozwikłamy problem nieznanej 25% części masy wszechświata. To byłoby jedno z większych odkryć dokonanych na początku XXI wieku.

Ostatnią rzeczą, którą LHC tak czy inaczej rozwikła to identyfikacja cząstki Higgsa. Być może będzie to jedna cząstka o masie niewiele powyżej 114 GeV, może będzie ich więcej o różnych masach, może będą to stany związane innych cząstek... zobaczymy. Informacja o cząstce (bądź cząstkach) Higgsa rzuci światło na problem masy obiektów elementarnych, jedno z podstawowych nierozwiązanych obecnie zagadnień.

Odpowiedzi na te pytania pozwolą wytyczyć drogę poszukiwania następcy Modelu Standardowego. Historia nauki pokazuje jednak, że największe odkrycia były przypadkowe, nieoczekiwane przez nikogo. Czy LHC też przyniesie takie niespodzianki? Już w niedługim czasie poznamy odpowiedź na to pytanie.