Bozon Higgsa w LHC

Czym jest Model Standardowy?

Wydaje się to niewiarygodne, ale świat naszej codzienności jest zbudowany z zaledwie czterech rodzajów fundamentalnych „cegiełek”. Podziwiamy go dzięki fotonom, bo to one oddziałują z atomami tworzącymi nasze ciała i nasze środowisko naturalne. Atomy z kolei są złożone z elektronów związanych wokół jąder atomowych. Jądra atomowe zaś to zlepki protonów i neutronów, cząstek składających się z trójek kwarków dolnych i górnych. Kwarki te są złączone dzięki oddziaływaniom przenoszonym przez gluony.

Badania prowadzone od początków XX wieku z użyciem coraz lepszych akceleratorów dostarczyły dowodów, że rzeczywistość jest jednak bardziej złożona. Oprócz elektronu, fotonu, dwóch kwarków i gluonów, istnieje w niej więcej cząstek elementarnych i całe zoo złożonych cząstek jądrowych. Tę skomplikowaną strukturę świata kwantów udało się fizykom opisać za pomocą zespołu teorii nazywanego Modelem Standardowym.

W Modelu Standardowym materia składa się z cząstek elementarnych, które dzielą się na trzy podobne grupy (rodziny). 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).

Wszystkie wymienione cząstki, ze względu na pewne wspólne cechy nazywane fermionami, oddziałują ze sobą. Nośnikami oddziaływań są cząstki podlegające innym prawom statystycznym – bozony. Zaliczamy do nich foton (przenosi siły elektromagnetyczne), bozony W⁺, W^– i Z⁰ (odpowiedzialne za słabe oddziaływania jądrowe) oraz gluony (które przenoszą oddziaływania silne, wiążące kwarki w takie kompleksy, jak proton czy neutron).

Względna prostota Modelu Standardowego jest myląca. Gluonów jest w nim aż osiem, a wszystkie bozony mają swoich antymaterialnych partnerów, czyli antycząstki (np. antypartnerem elektronu jest pozyton, cząstka o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego).

Model Standardowy uwzględnia wiele zjawisk zachodzących w świecie kwantów. Jednak aby jego przewidywania zgadzały się z rzeczywistością, trzeba doświadczalnie, z ogromną precyzją, dopasować niemal dwadzieścia różnych parametrów. Dlaczego parametry te są właśnie takie, a nie inne – tego nie wiemy. Z całą pewnością Model Standardowy nie jest też teorią ostateczną. Nie uwzględnia przecież istnienia grawitacji ani – wciąż hipotetycznych – cząstek ciemnej materii, która wydaje się wpływać na ruchy galaktyk. Nie wyjaśnia także, dlaczego wkrótce po Wielkim Wybuchu materia, wypełniająca go dokładnie taką samą liczbą cząstek i antycząstek, w całości nie anihilowała.

Mimo wad, Model Standardowy okazał się precyzyjnym sposobem opisu cząstek jądrowych. Swą obecną formę teoria ta przybrała w latach 70. ubiegłego wieku. Z czasem jej przewidywania potwierdzono doświadczalnie. W 1995 roku fizykom udało się zaobserwować ostatni brakujący kwark (górny, top), a pięć lat później odkryto w naturze ostatni lepton: neutrino taonowe.

Nie był to jednak koniec poszukiwań.

Podstawowy problem podczas konstruowania Modelu Standardowego tkwił bowiem w innym miejscu. Aby działały, wczesne wersje Modelu Standardowego musiały mieć cząstki elementarne pozbawione masy! Nawet codzienne obserwacje pozwalają stwierdzić, że nie może to być prawdą: obiekty wokół nas, zbudowane z cząstek jądrowych, z całą pewnością mają masę. Teoria w rażący sposób nie zgadzała się z rzeczywistością i należało z nią koniecznie coś zrobić.

Teoretycy zaproponowali rozwiązanie: nowe pole, wypełniające cały Wszechświat. Manifestacją istnienia tego pola powinna być nowa cząstka – bozon Higgsa.

Pozostał tylko „drobiazg”: należało tę cząstkę odkryć.