Fizyk: cząstka Higgsa nie jest "boska"

fot. Komputerowa symulacja rozkładu cząstek Higgsa w wyniku zderzenia cząstek. Źródło: Wikipedia

Cząstka Higgsa, której istnienie próbują potwierdzić naukowcy pracujący w CERN, to nie jest "boski" obiekt. To niejako produkt uboczny teorii opisującej masę cząstek elementarnych - tłumaczy fizyk z Uniwersytetu Warszawskiego prof. Stefan Pokorski.

Pod koniec marca w ośrodku badawczym Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN pod Genewą zostały wznowione eksperymenty z użyciem najnowocześniejszego na świecie akceleratora cząstek o nazwie Wielki Zderzacz Hadronów - ang. Large Hadron Collider (LHC). LHC ma kilka zadań, ale najczęściej wymienia się jedno z nich: poszukiwanie "boskiej cząstki", która miałaby wyjaśniać zagadkę masy wszystkich pozostałych cząstek elementarnych. O owym tajemniczym obiekcie mówi się "cząstka Higgsa", "bozon Higgsa" lub po prostu "Higgs", od nazwiska fizyka teoretyka Petera Higgsa, który od lat 60. pracował nad zagadnieniem masy cząstek.

Jak powiedział w rozmowie z PAP prof. Pokorski, pojawiające się w mediach enigmatyczne stwierdzenie, że cząstka Higgsa "nadaje cząstkom masę" jest nieprawdziwe. Koncepcja, że taka cząstka istnieje, wynika z obliczeń, które mają rozstrzygnąć problem naukowców z określeniem tego, od czego zależy masa cząstek elementarnych. Sama cząstka Higgsa jednak, jak podkreślił, żadnego wpływu na masę cząstek nie ma. "Jest ona +produktem ubocznym+ teorii" - zaznaczył fizyk. Zdaje się więc, że "Higgs" na swój medialny status "boskiej cząstki" zasłużył sobie tylko tym, że jego istnienie przewiduje jedna z wersji teorii, tłumaczącej od czego zależy masa. "To zresztą najprostszy z istniejących modeli" - ocenił prof. Pokorski.

Określenie "prosty model" dla fizyka oddziaływań elementarnych nie oznacza jednak tego samego, co dla przeciętnego człowieka. W rzeczywistości chodzi o bardzo skomplikowane zależności między cząstkami i wieloletnie poszukiwania teorii, która w jak najbardziej spójny sposób opisywałaby je wszystkie naraz.

Wszystko zaczęło się od analizy znanego od stu lat zjawiska - rozpadu beta, który w uproszczeniu polega na przemianie neutronu w proton, a ściślej biorąc - na rozpadzie neutronu na proton, elektron i antyneutrino. Zjawisko takie zachodzi w jądrach pierwiastków promieniotwórczych. Badając ten proces, naukowcy obliczyli, że w trakcie tej przemiany musi dochodzić do emisji nieznanej wcześniej cząstki, którą nazwano "bozonem w". Cząstka "w" pojawia się i prawie natychmiast znika w trakcie procesu rozpadu beta "rozpadając się" na elektron i antyneutrino, a pojawia się na tak krótki czas, że określa się ją mianem wirtualnej. Potwierdzono jednak, poprzez doświadczenia w jednym z akceleratorów w CERN, że cząstka taka istnieje (stało się to w 1983 r.), więc teoretyczne wyliczenia okazały się słuszne.

Fizyków, pracujących nad tym zagadnieniem, od początku zastanawiała analogia między rozpadem beta a innym, znanym już wcześniej procesem - emisją fotonów przez elektrony. W obu przypadkach jedna cząstka jest emitowana przez drugą. W obu przypadkach też, ten wyemitowany obiekt pozwala na wzajemne oddziaływanie między cząstkami. O ile jednak, w przypadku elektronów, foton jest nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych, to w procesie rozpadu beta cząstka "w" jest przekaźnikiem oddziaływań, które nazwano słabymi. Zasada jest jednak ta sama - fizycy próbowali więc użyć do opisania obu tych zjawisk podobnych metod matematycznych. Okazało się, że nie jest to takie proste.

Oddziaływania elektromagnetyczne (czyli zachowanie fotonów emitowanych przez elektrony) opisywane są przez cztery podstawowe równania klasycznej elektrodynamiki, sformułowane w połowie XIX wieku przez szkockiego fizyka Jamesa Clerka Maxwella. Maxwell traktował te oddziaływania jak falę, a nie strumień cząstek, niemniej późniejsza koncepcja Einsteina, że oddziaływania elektromagnetyczne są przenoszone przez cząstki - fotony, nie podważyła prawdziwości jego obliczeń. "Równiania Maxwella są niezmienne wobec kilku podstawowych przekształceń matematycznych. Niezmienność równań Maxwella względem tych przekształceń ma podstawowe znaczenie. Wydaje się, że odzwierciedla ona fundamentalne prawa przyrody określane mianem symetrii" - podkreślił prof. Pokorski.

Jak dodał, Maxwell nie przewidział jednak w swoich równaniach, że oddziaływania mogą być przenoszone przez cząstki posiadające masę. Fotony jej nie mają - są w uproszczeniu porcjami czystej energii. Cząstka "w", będąca nośnikiem oddziaływań słabych, ma jednak bardzo dużą masę. "Równania Maxwella, jeśli nadal mają pozostać niezmienne względem wspomnianych wyżej przekształceń matematycznych , nie dopuszczają uwzględnienia tej różnicy" - tłumaczył prof. Pokorski. Naukowcy, pewni, że fundamentalne prawa przyrody zwane symetriami, na których oparte sa równania Maxwella, są słuszne także dla oddziaływań słabych, musieli znaleźć sposób na wyeliminowanie tej sprzeczności.

"Stąd wzięła się koncepcja, że zjawiska zachodzące pod wpływem oddziaływań słabych mogą wprawdzie być opisane przez równania podobne do równań Maxwella, ale nie zachodzą one w idealnej próżni, pozbawionej wszelkich oddziaływań. Gdyby zachodziły w idealnej próżni, cząstki rzeczywiście nie miałyby masy. Ale zrodziło się przekonanie, że tak nie jest, bo przecież wiadomo, że bozon +w+ ma bardzo dużą masę. Stąd pojawiła się koncepcja, którą można by nazwać koncepcją +eteru+. Czyli że próżna nie jest próżnią, ale że jest wypełniona +eterem+ - czymś, co wyhamowuje pęd cząstek" - tłumaczył prof. Pokorski.

Jak dodał, od czasów Newtona wiadomo, że masa obiektów to miara ich bezwładności. Inaczej mówiąc, masa decyduje o tym jaka siła jest potrzebna, żeby nadać jakiemuś ciału konkretny pęd. Czyli, jeśli wokół tych cząstek nie byłoby nic, co mogłoby powstrzymywać ich pęd, żadna z nich nie miałaby masy. Fakt, że różne cząstki mają różną masę, tłumaczy więc wyłącznie to, że poruszają się w jakimś "środowisku" (próżni która nie jest próżnią), które jedne z nich "wyhamowuje" bardziej, a inne mniej. Żeby wyobrazić sobie na czym to polega, można, jak mówił fizyk, posłużyć się analogią. "Wyobraźmy sobie, że próbujemy rozpędzić dwie bryły o tej samej masie, popychając je, żeby osiągnęły konkretny pęd. Aby wyeliminować oddziaływania grawitacyjne, które zakłócałyby pomiar masy, układamy te bryły np. na lodzie. Wtedy popychamy obie z tą samą siłą, a one osiągają ten sam pęd. Następnie to samo doświadczenie wykonujemy pod wodą. Jeśli jedna z tych brył jest wykonana np. ze szkła, a druga np. z drewna, to, pomimo przyłożenia tej samej siły, bryły będą poruszać się z inną prędkością, gdyż ich oddziaływanie z wodą (lepkość) jest rożne" - mówił prof. Pokorski. Wykonując to doświadczenie pod wodą dojdziemy więc do wniosku, ze masy tych brył są różne. Co więcej, gdybyśmy stale żyli pod woda to te bryły miałyby dla nas po prostu różne masy.

W ten sposób, jak wyjaśnił, fizycy doszli do tego, że równania podobne do równań Maxwella w prawidłowy sposób opisują także oddziaływania słabe, ale uwzględniają tylko zachowanie cząstek w teoretycznych warunkach, w których nic nie hamuje ich pędu. Żeby opisać realne, obserwowane w praktyce, zachowanie cząstek, konieczne było uzupełnienie teorii, pozwalające na uwzględnienie sytuacji, w której równania Maxwella opisywałyby zachowanie cząstek nie w idealnej próżni, ale właśnie w jakimś "eterze".

"Podstawowa koncepcja, do której doprowadziły poszukiwania, mówi, że wszędzie wokół nas znajdują się cząstki nazwane bozonami Nambu-Goldstone'a (od nazwisk fizyków, którzy ją zaproponowali). Cząstki te niejako przyciągają obiekty przenoszące oddziaływania słabe. W ten sposób wyhamowują pęd cząstek +w+, a nie mają wpływu na fotony. Cząstki Nambu-Goldstone'a są tym eterem, który, podobnie jak woda z naszego przykładu, silniej oddziałuje z niektórymi ciałami, niż z innymi" - tłumaczył prof. Pokorski. Zaznaczył, że cząstki Nambu- Goldstone'a, według teorii, są niezwykłe, bo nie mają ani masy, ani pędu, a ich jedyną rolą jest bycie punktem zaczepienia dla ładunków oddziaływań słabych. Ładunki te pozwalają im przyciągać inne cząstki z takimi ładunkami, tak jak cząstki z ładunkami elektrycznymi dodatnimi przyciągają cząstki z ładunkami elektrycznymi ujemnymi.

Jak dodał fizyk, tworząc najprostszą wersję takiej teorii, naukowcy zorientowali się, że jeżeli istniałyby owe bozony Nambu-Goldstone'a, to, aby obliczenia były zgodne, muszą istnieć też pewne inne cząstki, które wprawdzie na masę innych cząstek nie mają wpływu, ale same masę mają. I właśnie one - nazwane cząstkami Higgsa - mogą być szansą na potwierdzenie słuszności tej teorii. "Dlatego, chociaż cząstki Higgsa są produktem ubocznym teorii opisującej +eter+, to są ważne. Nie jest bowiem możliwe wytworzenie i zaobserwowanie w laboratorium bozonów Goldstone'a, które nie mają masy. Natomiast wytworzenie i zaobserwowanie cząstki Higgsa, jeśli ona istnieje, będzie możliwe" - tłumaczył.

Ale, jak zastrzegł, przy nieco bardziej skomplikowanym modelu teoretycznym, próżnia wypełniona bozonami Nambu-Goldstona może istnieć także bez istnienia cząstki Higgsa. "Wtedy trzeba będzie szukać innych doświadczalnych metod potwierdzenia poprawności takiego mechanizmu nadawania cząstkom masy" - dodał.

Jednak, zdaniem prof. Pokorskiego, rzeczywistość może być jeszcze bardziej interesująca. "Istnieją teorie, z których wynika, że nie ma jednej cząstki Higgsa, ale jest ich kilka różnych. Te teorie wydają się lepsze, bo, gdyby się potwierdziły, to dawałyby możliwość obliczania masy cząstek. Teoria z jedną cząstką Higgsa wprawdzie wyjaśnia od czego masa cząstek zależy, ale nie daje możliwości jej obliczenia na podstawie innych parametrów. W tej koncepcji masa nadal pozostaje wartością daną, którą można tylko zmierzyć doświadczalnie . Tymczasem powinno być możliwe stworzenie teorii, pozwalającej na wyprowadzenie masy z obliczeń" - podkreślił.

Dlatego jednym z zadań naukowców, pracujących w CERN przy akceleratorze LHC, będzie ustalenie, czy istnieje jedna cząstka Higgsa, czy jest ich więcej. Możliwe jest też, że nie znajdą żadnej z nich. Wtedy przed fizykami teoretykami otworzy się pole do kolejnych dociekań na temat natury zjawisk zachodzących w świecie cząstek elementarnych. ULA

PAP - Nauka w Polsce