Bozon Higgsa w LHC

Droga do Bozonu Higgsa

Świat cząstek jądrowych jest obecnie opisywany przez fizyków za pomocą zespołu teorii nazywanych Modelem Standardowym. Zakłada się w nim, że cząstki elementarne są wzbudzeniami pewnych pól kwantowych. Pola kwantowe tym różnią się od zwykłych pól fizycznych, że ich wzbudzenia nie mogą być dowolne. Na przykład różne wzbudzenia pola elektromagnetycznego obserwujemy jako fotony o różnych energiach. Wzbudzenie określonego pola kwantowego widzimy zawsze jako pewną, charakterystyczną dla tego pola cząstkę elementarną.

Model Standardowy opisuje wszystkie znane cząstki elementarne: kwarki oraz leptony (elektrony, miony, taony i stowarzyszone z nimi neutrina), a także trzy z czterech fundamentalnych oddziaływań (fotony, bozony W i Z oraz gluony; brakuje grawitacji, która obecnie nie gra wśród cząstek elementarnych żadnej roli).

Konstruowanie Modelu Standardowego było trudne i czasochłonne, zajęło fizykom dziesięciolecia. Powstało jednak narzędzie opisujące cząstki elementarne z zadziwiającą dokładnością. Teoria miała jednak poważną wadę. Działała poprawnie tylko wtedy, gdy przyjmowało się, że wszystkie cząstki elementarne są pozbawione masy. A przecież wiemy – choćby na podstawie doświadczeń życia codziennego – że jest inaczej. Materia ma masę!

Gdy fizycy próbowali przyporządkować masy cząstkom elementarnym, doskonale się sprawujący Model Standardowy zaczynał chorować. W teorii pojawiały się niemożliwe do usunięcia nieskończoności, świadczące o jej poważnych błędach. Na szczęście na początku lat 60. ubiegłego wieku kilku fizyków (Yoichiro Nimbu, a później Robert Brout i Francois Englert) zauważyło, że problemy mogą zniknąć, gdy w Modelu Standardowym uwzględni się obecność jeszcze jednego pola kwantowego.

Pomysł został dopracowany przez brytyjskiego fizyka Petera Higgsa. Zaproponowane przez niego skalarne pole kwantowe miało bardzo specyficzne własności. Nie tylko musiało wypełniać cały Wszechświat, w tym próżnię, ale potencjał związany z tym polem nie mógł w próżni przyjmować wartości zero. Oznaczało to, że w każdym punkcie przestrzeni powinien istnieć pewien stały wkład do gęstości energii, pochodzący od pola Higgsa.

Cząstki elementarne w Modelu Standardowym nabierają masy wskutek oddziaływania z polem Higgsa, które stawia im opór. Nowy mechanizm nie tylko tłumaczył pochodzenie masy, wyjaśniał również, dlaczego masę mają bozony W i Z, cząstki pośredniczące w przenoszeniu słabych oddziaływań jądrowych (pozostałe nośniki oddziaływań, fotony i gluony, nie mają masy).

Skoro w Modelu Standardowym wzbudzenia pól kwantowych są obserwowane jako cząstki, z nowym polem musiała być związana pewna cząstka elementarna. Nazwano ją bozonem Higgsa lub, w skrócie, po prostu higgsem (inne określenie, boska cząstka, zostało mu nadane z wyrachowaniem, wyłącznie dla celów propagandowych). Charakterystyczną cechą bozonu Higgsa jest brak spinu, pewnej cechy kwantowej. Dotychczas wykryliśmy wiele cząstek jądrowych o spinie zerowym, lecz wszystkie były obiektami złożonymi (na przykład z par kwark-antykwark).

Odkrycie bozonu Higgsa w akceleratorze LHC to potwierdzenie istnienia w przyrodzie pola Higgsa. Oznacza, że w księdze o tytule „Model Standardowy” fizycy właśnie ukończyli ostatni rozdział. Lecz wiemy już, że ten ostatni rozdział zapowiada nową, kto wie, czy nie bardziej fascynującą od dotychczasowej księgę. Kolejny tom, który fizycy całego świata dopiero zaczynają pisać.