Nowe horyzonty fizyki cząstek

Wiek XX był dla fizyki okresem wyjątkowym. W pierwszych 25 latach powstanie szczególnej i ogólnej teorii względności oraz mechaniki kwantowej stworzyło fundamenty fizyki współczesnej. Późniejsze badania doświadczalne i teoretyczne znacznie poszerzyły nasze rozumienie Wszechświata od najmniejszych do kosmologicznych skal odległości. W tym referacie przedstawiony jest przegląd badań w fizyce cząstek, poczynając od 1946 r.: gdzie wtedy byliśmy, gdzie jesteśmy teraz i jakie planujemy kierunki przyszłych badań.

1. Postęp w fizyce cząstek

1.1. Cząstki elementarne

Jakie cząstki znaliśmy w 1946 r.? Znaliśmy elektron (e^-), odkryty w 1897 r. w gazach zjonizowanych, i pozyton (e⁺), odkryty w 1932 r. w promieniowaniu kosmicznym. Znaliśmy mion (mi), "ciężki elektron", zaobserwowany w 1936 r. w promieniowaniu kosmicznym. Cząstka ta była bardzo tajemnicza i fizycy nie rozumieli jej roli w przyrodzie. Po jej odkryciu I. Rabi zadał słynne pytanie: "Kto ją zamawiał?" Znaliśmy proton (p) i następnie neutron (n), odkryty w 1932 r. Foton (gamma) został zaproponowany przez Einsteina w 1905 r. Neutrino (ni), inna interesująca cząstka, która została przewidziana, aby w rozpadzie beta mogła być zachowana energia, została odkryta dopiero w 1956 r. Szukaliśmy nadal pionu (pi), przewidzianego przez H. Yukawę w 1935 r., aby wyjaśnić siły krótkozasięgowe między np, pp i nn. Z zasady nieoznaczoności można było ustalić, że masa wymienianej cząstki winna być równa około 200 MeV/c². Pion został ostatecznie odkryty w 1947 r. w promieniowaniu kosmicznym. Odkrycie cząstki przewidzianej teoretycznie było wielkim triumfem. Lecz ten okres rozumienia w fizyce cząstek był bardzo krótkotrwały.

Po odkryciu pionu sprawy się bardzo skomplikowały, gdyż nastąpił okres, w którym odkryto dużą liczbę cząstek. Odkrycia wiązały się z dwoma nowymi osiągnięciami, jakimi były akceleratory wielkich energii (np. synchrotrony), dostarczające dostatecznie dużo energii do kontrolowanej produkcji cząstek, i nowe detektory (zwłaszcza komory pęcherzykowe), w których możliwa była bardzo szczegółowa obserwacja produkcji i rozpadu cząstek. Wykorzystując zasady zachowania pędu, energii i ładunku, można było zrekonstruować obserwowane przypadki i zidentyfikować nowe cząstki. Od 1947 r. odkryto wiele cząstek, które wtedy nazywano elementarnymi. Oczywiście zastanawiano się, czy może istnieć setka różnych cząstek elementarnych, i podejrzewano, że tak być nie musi.

1.2. Model kwarkowy i chromodynamika kwantowa (QCD)

W 1961 r. pogrupowano znane cząstki w multiplety odpowiadające pewnej szczególnej grupie SU(3). Model SU(3) opisywał zarówno cząstki istniejące w przyrodzie jak i przewidywał cząstki, które powinny istnieć. Był to w zasadzie okresowy układ cząstek. Cząstki zostały pogrupowane w rodziny o tym samym spinie i parzystości. Oktet 0^-– zawierał cząstki: K⁺, K⁰, pi ⁺pi ⁰, pi ^-, eta , ; oktet 1^- -– cząstki: K^*+, K^*0, ro ⁺, ro ⁰, ro ^-, omega ⁰,; oktet - cząstki: p, n, Sigma ⁺, Sigma ⁰, Sigma ^-, Lambda ⁰, Ksi ⁰, Ksi ^-–, a dekuplet Delta ⁺⁺, Delta ⁺, Delta ⁰, Delta ^-, Sigma ^*+, Sigma ^*0, Sigma ^*- Ksi ^*0, Ksi ^*-, Omega ^-–. Model przewidywał istnienie i pozwalał ocenić masę hiperonu Omega ^-–, jeszcze nie odkrytej wówczas cząstki o dziwności –3. Cząstki tej zaczęto poszukiwać w laboratoriach na całym świecie. W 1964 r. odkryto ją w Laboratorium Narodowym w Brookhaven po przejrzeniu ponad 100 000 zdjęć z komory pęcherzykowej. Był to wielki triumf modelu SU(3) i fizyków pracujących przy komorach pęcherzykowych.

W 1964 r. zaproponowano model kwarkowy. Zgodnie z tym modelem wszystkie cząstki silnie oddziałujące są zbudowane z kwarków (q) 3 typów: górnego (u), dolnego (d) i dziwnego (s). Bariony (protony, neutrony i cięższe cząstki) są zbudowane z 3 kwarków (qqq), a mezony - z pary kwark-antykwark (). Kwarki mają spin i ułamkowe ładunki elektryczne: u (), d (), s (). W 1965 r. zaproponowano istnienie kolorowej grupy SU(3), zgodnie z którą kwarki w silnych oddziaływaniach są scharakteryzowane przez 3 efektywne ładunki, zwane kolorami. Pojawił się jednak wielki sceptycyzm w związku z tym modelem. Czy ktoś kiedykolwiek widział cząstki z ułamkowym ładunkiem elektrycznym? Zaczęto ich szukać wszędzie: w doświadczeniach akceleratorowych, promieniowaniu kosmicznym, materii ziemskiej i pozaziemskiej, ale nigdzie nie można było znaleźć swobodnych kwarków. Przez wiele lat ludzie byli bardzo podejrzliwi, jeśli chodzi o prawdziwość tego modelu. Mówiono, że model ten wyjaśnia wprawdzie strukturę cząstek silnie oddziałujących, ale jest może tylko pewnym obrazem matematycznym. Model kwarkowy generował symetrię SU(3), ale istniały ogromne wątpliwości, czy kwarki istnieją w rzeczywistości.

Punktem zwrotnym okazał się rok 1968, kiedy w wyniku analizy nieelastycznego rozpraszania ep w SLAC-u zaobserwowano w protonie punktowe składniki. Eksperyment ten można sobie wyobrażać jako pomiary przy użyciu bardzo potężnego mikroskopu elektronowego. Wiązka elektronów o długości fali 10^-–15 cm oświetla protony o wymiarach rzędu 10^-–13 cm i zdolność rozdzielcza jest wystarczająco duża, aby móc dostrzec strukturę wnętrza protonu. W 1971 r. ta sama grupa wykazała na podstawie szczegółowej analizy rozpraszania do przodu i do tyłu, że składniki wewnątrz protonu mają spin. W 1972 r. porównanie powyższych wyników rozpraszania elektron-nukleon z rozpraszaniem neutrino-nukleon w CERN-ie wykazało, że punktowe składniki wewnątrz nukleonu mają ułamkowe ładunki elektryczne odpowiadające modelowi kwarkowemu.

W 1973 r. zaproponowano chromodynamikę kwantową (QCD – quantum chromodynamics) jako teorię oddziaływań silnych na poziomie kwarkowym. Wyniki rozpraszania elektronów na nukleonach wykazały, że do rozpraszania głęboko nieelastycznego stosuje się przybliżenie impulsowe, co oznacza, że przy bardzo wielkich energiach stała sprzężenia dla silnych oddziaływań maleje. Fakt ten stanowi doświadczalny dowód swobody asymptotycznej w chromodynamice kwantowej, w której stała sprzężenia ma postać alfa _s~ 1/ln (). Z drugiej strony, fakt obserwacji kwarków tylko wewnątrz nukleonów, a nie jako cząstek swobodnych, dał początek idei uwięzienia podczerwonego, czyli całkowitego uwięzienia kwarków. Takie uwięzienie nie zostało dotąd udowodnione matematycznie w chromodynamice kwantowej

1.3. Unifikacja elektrosłaba

W 1967 r. została sformułowana unifikacja oddziaływań elektromagnetycznych i słabych oparta na symetrii SU(2)xU(1). Główna trudność tej idei polegała na tym, że symetria względem cechowania SU(2)xU(1) prowadziła do 4 bezmasowych bozonów, a bezmasowy winien być tylko jeden – foton. Potrzebny był mechanizm naruszenia symetrii SU(2)xU(1) i "wykreowania" masy. Rozwiązaniem okazał się mechanizm Higgsa spontanicznego naruszenia symetrii, zaproponowany w 1964 r. Przy spontanicznym naruszeniu symetrii podstawowe równania mają symetrię nie obserwowaną w przyrodzie. Oddziaływanie bezmasowych fermionów i bozonów z polem Higgsa nadaje im masę. Kwanty pola Higgsa są skalarnymi cząstkami neutralnymi, cząstkami Higgsa, których masa nie jest wyznaczona przez teorię. Aby zrozumieć mechanizm spontanicznego naruszenia symetrii, można sobie wyobrazić pole sił z symetrycznym potencjałem o dwóch minimach z cząstką w stanie metatrwałym w miejscu maksimum między dwoma minimami. Równowadze trwałej odpowiada cząstka w pobliżu jednego z minimów. Podstawowe prawa opisujące ten układ (lagranżjan i równania ruchu) mają symetrię zwierciadlaną, ale stan równowagi trwałej nie jest symetryczny. Cząstka wybiera jedno z dwóch minimów i symetria zwierciadlana zostaje "spontanicznie naruszona".

W rozważanym modelu unifikacji elektrosłabej foton (gamma) pozostaje bezmasowy, a bozony pośredniczące słabych oddziaływań W⁺, W^-, Z⁰ uzyskują duże masy:

gdzie alfa jest stałą struktury subtelnej, G_mi - stałą Fermiego, teta _W - elektrosłabym kątem mieszania, jedynym nowym i nieznanym parametrem. Po wyznaczeniu kąta teta _W z analizy otrzymano przewidywane wartości mas bozonów pośredniczących słabych oddziaływań.

W 1971 r. udowodniono renormalizowalność teorii elektrosłabej. Przewidywania modelu zostały potwierdzone w CERN-ie w 1973 r. przez odkrycie prądów neutralnych (odpowiadających wymianie Z⁰) i w 1983 r. przez odkrycie bozonów W i Z o przewidywanych masach.

2.1. Model Standardowy

Obecnie nasze rozumienie fizyki cząstek jest oparte na Modelu Standardowym, zawierającym chromodynamikę kwantową i teorię elektrosłabą. Podstawowymi składnikami jest 12 podstawowych fermionów (kwarki: u, d, c, s, t, b i leptony: e, mi, tau, ni _e , ni _mi, ni_tau ), 4 pola sił z odpowiednimi bozonami pośredniczącymi dla oddziaływań silnych, elektromagnetycznych, słabych i grawitacyjnych (gluonem (g), fotonem (gamma), bozonami oddziaływań słabych (W⁺, W^-, Z⁰) i grawitonem) oraz cząstka Higgsa (H). Materia trwała składa się z u, d i e. Podstawowe fermiony należą do 3 rodzin i ich liczba została określona w LEP-ie w wyniku analizy całkowitego przekroju czynnego dla anihilacji e⁺ e^-– w zależności od energii w obszarze rezonansu Z⁰. Różnym liczbom neutrin odpowiadają różne krzywe i krzywa z 3 typami neutrin stanowi najlepsze dopasowanie do danych. Nie oznacza to, że nie ma większej liczby rodzin. Jeśli jednak miałaby istnieć czwarta rodzina, to odpowiadające jej nowe neutrino musiałoby mieć masę większą od 45 GeV/c². Wszystkie znane neutrina mają masy mniejsze od kilku eV/c² i dlatego istnienie czwartej rodziny nie wydaje się naturalne.

Jak wyglądają podstawowe siły? Każdemu typowi sił odpowiada stała sprzężenia mnożąca funkcję opisującą zależność siły od odległości. Oddziaływania silne mają zasięg rzędu 10^-–13 cm, oddziaływania słabe 10^-–16 cm, a oddziaływania elektromagnetyczne i grawitacyjne maleją z odległością r odwrotnie proporcjonalnie do r². Stałe sprzężenia oddziaływań silnych, elektromagnetycznych, słabych i grawitacyjnych wynoszą odpowiednio: 1, 10^-2, 10^-5, 10^-38. Jest ironią losu, że choć oddziaływania grawitacyjne cząstek elementarnych są nadzwyczaj słabe, to najsilniejsze siły we Wszechświecie, występujące w czarnych dziurach, są siłami grawitacyjnymi.

Model Standardowy z uwzględnieniem poprawek promienistych jest potwierdzony doświadczalnie z dokładnością kilku promili, lecz nie jest w pełni satysfakcjonujący z teoretycznego punktu widzenia. Ma on bowiem 19 swobodnych parametrów, które należy wyznaczyć doświadczalnie i nie ma teorii wyjaśniającej wartości tych parametrów. Nie wiemy także, czy poprawny jest mechanizm Higgsa naruszenia symetrii. Nie znamy przyczyny naruszenia symetrii CP. Potrzebne są doświadczenia przy jeszcze większych energiach, by móc określić mechanizm naruszenia symetrii elektrosłabej i poznać fizykę poza Modelem Standardowym. Obecna teoria nie pozwala na ekstrapolację do obszaru energii 10 razy większej od skali elektrosłabej (~ 100 GeV), gdyż nie została udowodniona poprawność mechanizmu Higgsa, bo nadal nie ma dowodów istnienia cząstki Higgsa. Wstępne wyniki ze stycznia 1999 r. dają następujące ograniczenia na poziomie ufności 95%:

ALEPH: m_H > 90,4 GeV/c²,

DELPHI: m_H > 94,1 GeV/c²,

L3: m_H > 95,5 GeV/c²,

OPAL: m_H > 95,2 GeV/c².

Najnowsze ograniczenie (z września 1999 r.) to m_H > 102,6 GeV/c². Pomiary w LEP2 przy energii = 200 GeV i świetlności L = 200 pb^-1 mogą doprowadzić do odkrycia cząstki Higgsa, jeśli m_H > ~ 105 GeV/c² i wykluczyć ją, jeśli m_H > ~ 110 GeV/c².

2.2. Wielka unifikacja

Przy ekstrapolacji biegnących stałych sprzężenia oddziaływań silnych, elektromagnetycznych i słabych obserwuje się ich przybliżone zbieganie się i unifikację przy energii ~ 10¹⁴ - 10¹⁵ GeV. Fakt ten wyprowadza nas poza Model Standardowy do teorii wielkiej unifikacji. Takie teorie wyjaśniają kwantyzację ładunku elektrycznego i ułamkowe ładunki kwarków, dostarczają podstaw dla niskoenergetycznej teorii SU(3)xSU(2)xU(1), czyli Modelu Standardowego, przewidują sin ² teta _W i m_b/m_tau oraz generują bardzo małe masy neutrin.

2.3. Supersymetria (SUSY)

Supersymetria (SUSY - supersymmetry) jest symetrią, która wprowadza dla każdej cząstki odpowiadającą jej supercząstkę podlegającą przeciwnej statystyce. Każdy fermion ma superpartnera bozonowego i każdy bozon ma superpartnera fermionowego. Supersymetria jest teorią atrakcyjną, gdyż odgrywa ważną, jeśli nie podstawową, rolę w kwantowej teorii grawitacji i w szczególności w teorii strun. Rozwiązuje ona inną poważną trudność w teorii cząstek, zwaną problemem hierarchii.

Przy dwóch skalach, skali wielkiej unifikacji przy około 10¹⁵ GeV i skali elektrosłabej przy 10² GeV, trudno jest wyjaśnić istnienie cząstek o małych masach, czyli masach rzędu skali elektrosłabej lub mniejszych. Wynika to stąd, że każda skala wymaga naruszenia symetrii z innymi polami Higgsa przy odpowiedniej skali energii. Pole Higgsa nadaje masy i poprawki promieniste w takiej teorii przesuwają masy do większej skali. Jedyną drogą utrzymania małych mas w takiej teorii jest dopasowanie parametrów z dokładnością 10^-–28, co wydaje się całkiem nienaturalne. Supersymetria pozwala wyeliminować tę trudność, gdyż wkłady od pętli fermionowych i bozonowych skracają się nawzajem. Rozwiązanie problemu hierarchii w teorii supersymetrycznej jest piękną ideą, ale dotąd nie zaobserwowano żadnych supercząstek. Masy supercząstek okazują się zbyt duże, aby supercząstki mogły się produkować przy obecnych energiach i świetlnościach. Masy supercząstek nie są równe masom ich zwykłych partnerów, czyli supersymetria jest symetrią naruszoną. Rozważania teoretyczne sugerują, że skala mas supercząstek jest rzędu TeV/c². W Minimalnym Modelu Supersymetrycznym jest 5 różnych cząstek Higgsa.

Głównym kierunkiem natarcia w fizyce cząstek będzie badanie fizyki poza Modelem Standardowym. Musimy określić mechanizm naruszenia symetrii elektrosłabej (mechanizm Higgsa, supersymetryczny mechanizm Higgsa czy jakiś inny mechanizm) i ustalić istnienie supersymetrii. W CERN-ie budowany jest wielki zderzacz hadronowy LHC (Large Hadron Collider), aby przebadać te zagadnienia. Innymi zagadnieniami, które są obecnie badane przy działających akceleratorach w ramach szerokich programów, jest problem, czy naruszenie CP pochodzi tylko z Modelu Standardowego, i czy neutrina mają małe, ale niezerowe, masy . Precyzyjne pomiary w LEP-ie w obszarze rezonansu Z⁰ wskazują, że cząstka Higgsa z Modelu Standardowego ma masę < 280 GeV/c² na poziomie ufności 95%. Lekka cząstka Higgsa może zostać odkryta w Laboratorium Fermiego (po zmodernizowaniu akceleratora) lub przy akceleratorze LEP2, jeśli m_H < 110 - 120 GeV/c². Ale jeśli nawet to się zdarzy, to będą potrzebne poszukiwania i pomiary przy akceleratorach o większych energiach (przy LHC i prawdopodobnie przy planowanym obecnie zderzaczu liniowym), aby określić, czy cząstka Higgsa jest cząstką z Modelu Standardowego, czy też cząstką z modelu supersymetrycznego. Supersymetrii towarzyszy bogactwo zjawisk i będzie ona wymagała mnóstwa pomiarów przy wyższych energiach, aby wyznaczyć wiele jej parametrów.

LHC jest zderzaczem proton-proton budowanym obecnie w tunelu LEP-u o obwodzie 26,6 km. Urządzenie to będzie dostarczało energii 14 TeV w układzie środka masy zderzających się protonów i będzie miało świetlność 10³⁴cm^-2 s^-1. Jego nadprzewodzące dipole o długości 14,2 m dostarczą pola magnetycznego o indukcji 8,36 T. Ukończenie budowy LHC jest planowane na rok 2005.

Dla potrzeb doświadczeń przy LHC budowane są dwa gigantyczne i skomplikowane detektory: CMS i ATLAS. Składają się one z wielu różnych elementów: obszaru z polem magnetycznym i komorami śladowymi, kalorymetru elektromagnetycznego, kalorymetru hadronowego, komór mionowych i będą mogły wykryć elektrony, miony, fotony i hadrony (protony, piony, kaony). Neutrina będą wykrywane przez obserwację niezachowania pędu poprzecznego. Detektory wierzchołkowe będą poszukiwać szybkich rozpadów ciężkich kwarków.

Cząstka Higgsa z Modelu Standardowego będzie poszukiwana w następujących procesach:

H -> gamma gamma dla 80 < m_H < 140 GeV/c²

H -> b dla m_H ~ 100 GeV/c²

H -> ZZ^* -> 4l^+-> dla 130 < m_H < 200 GeV/c²

H -> ZZ -> 4 l^+- dla 200 < m_H < 750 GeV/c²

H -> ZZ -> 2l^+- 2 ni dla 0.5 TeV/c² < m_H < 1 TeV/c²

H -> WW dla m_H ~ 1 TeV/c²

H -> ZZ dla m_H ~ 1 TeV/c².

Fizyka będzie wymagać dużej świetlności dla LHC. Przy poszukiwaniu cząstki Higgsa o masie 80 GeV/c² < m_H < 800 GeV/c² istnieje metoda jej wykrycia, która wymaga stosunku sygnału do tła > 5 dla L = 10⁵ pb^-1. Przy poszukiwaniu supersymetrii większość obszaru m_A i 1 < tg beta < 50 będzie dostępna przy L = 3 10⁵ pb⁼¹, a obcięcie w brakującej energii E_T > 300 GeV przy L = 10⁵ pb^-1 pozwoli zaobserwować skwarki i gluina o masach do m ~ 1.5 TeV/c².

Podsumowując, celami badań przy LHC i ewentualnym zderzaczu liniowym są:
- zbadanie przyrody przy skali energii ~ TeV (naruszenia symetrii elektrosłabej, poszukiwanie cząstek supersymetrycznych itd.),
- wszechstronne przebadanie zjawisk wskazujących na fizykę poza Modelem Standardowym – być może dostarczających informacji o wielkiej unifikacji,
- poszukiwanie nieoczekiwanych zjawisk: złożoności cząstek podstawowych, nowych bozonów pośredniczących, nowych rodzin itd.

Jest to bardzo interesujący program przyszłych badań.

Z zapisu wideo spisał i przetłumaczył
Zygmunt Ajduk
Instytut Fizyki Teoretycznej
Uniwersytet Warszawski