Bozon Higgsa w LHC

ZNACZENIE BOZONU HIGGSA DLA WSPÓŁCZESNEJ FIZYKI

Model Standardowy nie jest ostateczną teorią opisu struktury materii. Fizycy są tego pewni, dlatego od dawna trwają prace teoretyczne nad jego rozszerzeniem i uogólnieniem. Ekstremalne wymagania technologiczne fizyki cząstek elementarnych powodują, że pomysły pojawiają się znacznie szybciej niż możliwości ich doświadczalnej weryfikacji. Dość powiedzieć, że obecne odkrycie bozonu Higgsa było możliwe dopiero po wybudowaniu akceleratora LHC i jest pierwszym dowodem potwierdzającym istnienie w przyrodzie mechanizmu nadającego masy cząstkom elementarnym, który to mechanizm został zaproponowany... w latach 60. ubiegłego wieku.

W ciągu ostatniego półwiecza teoretycy przedstawili wiele propozycji rozszerzenia Modelu Standardowego. Bozon Higgsa jest obecnie jedyną cząstką elementarną pozbawioną spinu, pewnej cechy kwantowej. Grupa nowych teorii, nazywanych supersymetrycznymi, zakłada, że wszystkie fermiony (kwarki i leptony) mają swoich supersymetrycznych partnerów i że są to cząstki podobnie jak higgs elementarne, a ich spin także jest równy zero. Poszukiwanie cząstek supersymetrycznych to dziś jedno z najważniejszych zadań realizowanych w akceleratorze LHC. Są one bowiem najpoważniejszymi kandydatami na ciemną materię, istnienie której zdają się potwierdzać obserwacje astronomiczne ruchów galaktyk i ich gromad.

Inny zespół teorii zakłada istnienie technikoloru, nowego typu oddziaływania, które powinno zachodzić między pewnymi, jeszcze nieodkrytymi cząstkami elementarnymi. W tym ujęciu mechanizm Higgsa, odpowiadający za masy cząstek elementarnych, pojawia się nie na zasadzie deklaracji precyzyjnie dopasowanej do wymogów teorii, lecz wskutek zachodzących w tej teorii dynamicznych procesów.

Dodatkowe wymiary przestrzeni to kolejna próba rozszerzenia Modelu Standardowego, wywodząca się z teorii strun. Teoria wymusza w tym przypadku istnienie aż dziesięciu wymiarów przestrzennych. Widzimy zaledwie trzy, ponieważ siedem wymiarów byłoby mocno zwiniętych. To zwinięcie można sobie wyobrażać poprzez analogię z kartką: kartka ma (w praktyce) dwa wymiary przestrzenne, możemy ją jednak zwinąć w tak ciasny rulon, że z daleka będzie on wyglądał jak jednowymiarowy pręt. Teorie odwołujące się do dodatkowych wymiarów wymagają, w mniejszym lub większym stopniu, uwzględnienia niektórych idei supersymetrii.

Ciekawym aspektem nowych teorii – a wymieniliśmy tylko trzy najpopularniejsze podejścia – jest możliwość zunifikowania oddziaływań występujących w naturze. Unifikacja oznacza, że oddziaływania, które w niskich energiach wyglądają na różne i od siebie niezależne, w wysokich energiach „stapiają się” w jedno oddziaływanie. Od czasów Maxwella wiadomo na przykład, że pole elektryczne i pole magnetyczne są przejawami istnienia tego samego pola – elektromagnetycznego. W XX wieku oddziaływania elektromagnetyczne udało się zunifikować z jądrowymi słabymi. Obecnie fizycy dążą do połączenia oddziaływań elektrosłabych z jądrowymi silnymi – są to teorie tzw. Wielkiej Unifikacji. Budzą one wielkie zainteresowanie, bo unifikacja oddziaływań elektromagnetycznych i jądrowych słabych oraz silnych wymaga tak wysokiej energii, że można zacząć realnie myśleć o połączeniu wyłaniającego się z niej oddziaływania z grawitacją (a grawitacja w Modelu Standardowym w ogóle nie była uwzględniona). W kierunku wielkich unifikacji idą prace zwłaszcza w zakresie teorii supersymetrycznych oraz teorii strun.

Przedstawione próby rozszerzenia Modelu Standardowego prezentują najbardziej popularne podejścia do zagadnienia. Każda teoria, a nawet jej wariant, narzuca dość wyraźnie ograniczenia na zakres mas dozwolonych dla bozonu Higgsa. Jednocześnie większość teorii, zwłaszcza aspirujących do wielkiej unifikacji, nie potrafi odtworzyć bozonu Higgsa o masie zaobserwowanej ostatnio w LHC. Oznacza to, że bozon Higgsa i jego własności stały się papierkiem lakmusowym weryfikującym poprawność wielu dotychczasowych idei fizycznych.

Bozon Higgsa jest manifestacją pewnego pola kwantowego, obecnego w każdym punkcie Wszechświata i odpowiedzialnego za to, że cząstki elementarne mają masy. Odkrycie higgsa to potwierdzenie istnienia w przyrodzie, na jej najbardziej fundamentalnym poziomie, nowego mechanizmu. Dla rozwoju fizyki bardziej istotny jest jednak fakt, że własności cząstki Higgsa pozwolą odrzucić wiele zaproponowanych sposobów rozszerzenia Modelu Standardowego. Tak jak kanion wytycza kierunek, w którym biegnie nurt rzeki, tak bozon Higgsa wskazuje teraz drogę ku nowej fizyce.