Cząstkami elementarnymi są te wszystkie cząstki, które są niezbędne do wyjaśnienia własności wszystkich form materii, i tylko te, których nie można wyjaśnić przez inne cząstki. Z definicji tej wynika, że są one jednocześnie podstawowym budulcem materii i nie posiadają wewnętrznej struktury. Z cząstek elementarnych zbudowane są wszystkie inne cząstki. Na przykład atomy zbudowane są z mniejszych cząstek, takich jak elektrony, protony i neutrony. Protony i neutrony są również cząstkami złożonymi z innych, bardziej podstawowych cząstek – kwarków.

Prof. Paweł Brückman de Renstrom i dr Tomasz Rożek

Model standardowy wprowadza 12 cząstek, z których zbudowana jest materia i 12 cząstek odpowiedzialnych za przenoszenie oddziaływań między innymi cząstkami, tzw. cząstek pośredniczących. Wszystkie cząstki fundamentalne mają tę cechę, że są tak małe, że trudno określić, czy mają jakiś rozmiar. Cząstki materii mają masę, ale nie same w sobie, tylko dzięki oddziaływaniu z polem Higgsa. To oddziaływanie nadaje cząstce masę. Po co cząstkom elementarnym masa? Odpowiadając na to pytanie, rozmówca wytłumaczył, iż wszystkie cząstki, które masy nie mają, poruszają się z prędkością światła. Wszystkie te, które mają masę, mogą się poruszać wolniej albo w ogóle się nie poruszać. Gdyby cząstki elementarne nie miały masy, to nie budowałyby atomów, nie istniałaby zatem w ogóle materia i cały wszechświat składałby się z czystej energii w różnej postaci.

Pozostałe cząstki można w pewnym sensie zobaczyć, kiedy dostarczy im się energię. Tak dzieje się w akceleratorach. Buduje się je po to, aby stworzyć warunki zbliżone do tych, jakie panowały w pierwszej miliardowej części sekundy istnienia wszechświata. Wtedy jego temperatura była tak wysoka, że pozwalała na równoczesne istnienie wszystkich cząstek, jakie znamy. Gdy wszechświat zaczął się rozszerzać i studzić, cząstki, które były cięższe, uległy rozpadowi. Ponieważ wszechświat stygnie, gęstość energii jest zbyt mała, aby istniały one w sposób naturalny. W CERN jest możliwość, by wytworzyć takie warunki, oczywiście na bardzo krótką chwilę – ułamek sekundy.

Rozmówca wyjaśnił, że istnieją trzy rodziny cząstek. Elektron, neutrino elektronowe, kwark górny i kwark dolny tworzą pierwszą rodzinę. Druga to mion, neutrino mionowe, kwark powabny i kwark dziwny. W trzeciej rodzinie znajdziemy taon, neutrino taonowe, kwark prawdziwy i kwark piękny. Zamiast na rodziny można zastosować też inny podział: po prostu na kwarki i pozostałe cząstki, czyli leptony (są więc nimi elektrony, miony, taony i trzy odpowiadające im neutrina).

– Nie ma ograniczenia, by ich było więcej, ale też nie wydaje się, by była jakaś potrzeba istnienia większej liczby rodzin cząstek elementarnych. Te, które istnieją, są w stanie wytłumaczyć wszystkie podstawowe prawa fizyki. Rzecz komplikuje się, kiedy próbujemy w sposób teoretyczny zrozumieć właściwości czy też oddziaływania istniejących cząstek i prowadzimy obliczenia na podstawie modelu standardowego, na przykład prawdopodobieństwa jakiegoś procesu – tłumaczył prof. Paweł Brückman de Renstrom.

Źródłem problemów matematycznych modelu standardowego jest zasada nieoznaczoności Heisenberga – jedno z najbardziej fundamentalnych praw mechaniki kwantowej. Mówi ona, że pewnych pomiarów nie da się wykonać nieskończenie dokładnie, nie możemy na przykład jednocześnie zmierzyć z dowolną dokładnością pędu i położenia cząstki, podobnie nie możemy jednocześnie dokładnie zmierzyć jej energii i czasu.

Rozwój badań nad cząstkami elementarnymi prowokuje do pytań o to, czy istnieją dodatkowe wymiary przestrzenne w naszym wszechświecie lub też czy są wszechświaty równoległe. Gość Kawiarni stwierdził, iż model standardowy, który jest konstrukcją teoretyczną, matematyczną, sprawdza się w każdym doświadczeniu, mamy zatem teorię poprawnie opisującą nasz świat.

A jednak – mimo odkrycia bozonu Higgsa – ostatniego brakującego fragmentu modelu standardowego, teorii cząstek elementarnych i ich oddziaływań stworzonej ponad 40 lat temu – model standardowy okazuje się stać na kruchych podstawach matematycznych. Wielu fizyków oczekuje odkrycia szerszej teorii, obejmującej model standardowy, ale pozbawionej takich jego problemów, jak np. nieujęcie w modelu hipotetycznych grawitonów, które miałyby być odpowiedzialne za przenoszenie oddziaływań grawitacyjnych ani – wciąż hipotetycznych – cząstek ciemnej materii.

– To jest powód, dla którego myślimy, że musi być coś więcej – stwierdził fizyk. – Wydaje się, że nie ma w tej chwili żadnej możliwości stwierdzenia, czy wszechświaty równoległe istnieją, ale nie ma też żadnego dowodu na to, że miałoby ich nie być. Kłopot w tym, że w ramach tego, co w tej chwili rozumiemy, nie widzimy żadnego mechanizmu, który zmuszałby prawa natury do tego, żeby były takimi, jakie są. Jeżeli natomiast znajdziemy dalsze elementy, które poznamy w ramach badań fundamentalnych, które dadzą nam wytłumaczenie, dlaczego prawa natury są dokładnie takie, jakie są, to logicznie rzecz biorąc, nie będzie potrzeby do odwoływania się do tych równoległych wszechświatów.