Akceleratory i kosmos w fizyce cząstek elementarnych

Referat był próbą opisu stanu fizyki cząstek elementarnych końca lat dziewięćdziesiątych. Najkrócej, znajdujemy się w okresie przełomowym, a najbliższe dekada może zadecydować o przyszłości tej dziedziny wiedzy. Lata dziewięćdziesiąte przyniosły bardzo dokładne sprawdzenie Modelu Standardowego, który, z jednej strony, bardzo dobrze zgadza się z doświadczeniem, a z drugiej nie stanowi, niestety, kompletnej i zamkniętej teorii oddziaływań cząstek elementarnych. Stąd próby wyjścia poza Model Standardowy czynione przez teoretyków, stanowią dużą część działalności naukowej, niestety pozbawioną dotychczas silnego oparcia w faktach doświadczalnych . W referacie starałem się opisać zarówno Model Standardowy i jego testy doświadczalne jak i odnieść się do poszukiwań bardziej ogólnej teorii poza modelem standardowym. Wreszcie starałem się opisać następną generację doświadczeń, przygotowywanych obecnie, które zostaną wykonane w ciągu następnej dekady.

Model Standardowy i jego testy doświadczalne
Omówiłem skrótowo Model Standardowy (MS) jako nowoczesną teorie pola z cechowaniem [1]. Wyróżniłem dwie składowe MS: oddziaływania elektrosłabe (EW) i chromodynamikę kwantową (QCD). Podkreśliłem to, że w MS umiemy obliczać poprawki kwantowe wyższych rzędów (poprawki pętlowe).

Następnie opisałem testy doświadczalne MS dokonywane w ciągu ostatniej dekady w eksperymentach przy akceleratorach LEP w CERNie, SLC w Laboratorium Akceleratora Liniowego Stanforda i Laboratorium Fermiego w Batavii (Illinois, USA) przy energiach w środku masy ok. 90-200 GeV. Precyzja doświadczalna tych testów w sektorze elektrosłabym jest niezwykle wysoka; dla wielu mierzonych wielkości związanych z oddziaływaniami elektrosłabymi osiąga ona od kilu dziesiątych promila do kilku promili. Zgodność danych doświadczalnych z przewidywaniami MS w sektorze elektrosłabym jest znakomita [2]. Zgodność doświadczenia z przewidywaniami QCD nie jest już tak nadzwyczajna; wynika to przede wszystkim z trudności teorii.

Dlaczego MS nie jest teorią ostateczną?
Przechodząc do słabości MS omówiłem centralny obecnie problem fizyki cząstek jakim jest pytanie dlaczego cząstki elementarne - kwarki i leptony - mają masy tak bardzo różniące się od siebie. Na ogół uważa się, że zrozumienie tego zagadnienia będzie wymagało: a) zrozumienia mechanizmu spontanicznego złamania symetrii w MS, której przykładem jest t.zw. mechanizm Higgsa i b) zbudowania symetrii grupy cechowania większej niż grupa MS - czyli Wielkiej Unifikacji (GUT). Opisałem mechanizm Higgsa, który zapewnia wewnętrzną spójność MS pozwalając na obliczanie poprawek kwantowych w obecności masywnych nośników oddziaływań i masywnych fermionów. Jest to najsłabiej, żeby nie powiedzieć w ogóle nie poznana część MS. Pokazałem w jaki sposób znajomość poprawek wyższych rzędów i bardzo dokładne dane doświadczalne, przede wszystkim z eksperymentów przy LEP, pozwalają na zawężenie obszaru mas cząstek Higgsa.

W chwili obecnej nie ma żadnych dowodów doświadczalnych prowadzących do kwestionowania MS jako teorii fizycznej; wszystkie nasze zastrzeżenia co do jego niekompletności mają charakter teoretyczny.

Wielka unifikacja, czy istnieją dowody na istnienie nowej fizyki
Omówiłem dwie poważne sugestie przemawiające za istnieniem bardziej uniwersalnej teorii typu GUT przy wyższych energiach, rzędu 10^14-16 GeV:
- Zagadnienie mas neutrin i próbę zrozumienia dlaczego są one tak małe (rzędu 10^-2 eV/c²) w porównaniu np. z masą elektronu, która wynosi 500 keV/c². Poprzez mechanizm Higgsa prowadzi to do wniosku, że powinna istnieć skala energii rzędu skali GUT, gdzie MS przechodzi w bardziej uniwersalną teorię [3].
- Dokładne pomiary stałych sprzężenia MS i oparte o równania grupy renormalizacji teoretyczna ekstrapolacje do dużych energii pokazują, że następuje unifikacja oddziaływań przy tej samej skali energii. Okazuje się jednocześnie, że wymaga to teorii supersymetrycznych, czyli , że „ceną” wielkiej unifikacji może być wzbogacenie i skomplikowanie teorii oraz dodanie do widma cząstek obecnie znanych ich supersymetrycznych partnerów. Oznacza to pojawienie się bardzo wielu nowych nieznanych cząstek, być może w zasięgu akceleratorów nowej generacji, które są w budowie. Ma to także niezwykle ciekawe implikacje kosmologiczne – najlżejsze cząstki supersymetryczne mogą być kandydatami na ciemną materię, czyli na duży ułamek masy Wszechświata.

Nowe eksperymenty
Omawiając światowy program doświadczalny, który przesuwa w górę granicę naszego poznania, skupiłem się na programie naukowym i pewnych aspektach technicznych eksperymentów ATLAS, CMS, ALICE i LHCB prze akceleratorze Large Hadron Collider (LHC) w CERN-ie. Inne projekty zostały zaledwie wspomniane. Powodem było przede wszystkim to , że LHC i jego eksperymenty są już zatwierdzone i w trakcie budowy, potencjał odkrywczy LHC w obszarze mas do kilku TeV/c²jest największy i wreszcie to, że naukowe zespoły polskie aktywnie uczestniczą w tych eksperymentach. Na kilku przykładach (poszukiwanie cząstek Higgsa, i niektórych cząstek supersymetrycznych) starałem się przedstawić możliwości odkryć nowej fizyki w eksperymencie CMS, w którym sam uczestniczę i który znam najlepiej.

Konkluzje
Czekają nas ciekawe czasy. W roku 2005 rusza akcelerator LHC , który dostarczy bardzo bogatych danych na temat nowej fizyki, jeżeli ona istnieje.

Literatura
[1] S. Weinberg, Teoria pól kwantowych, T. II, PWN 1999.
[2] przykładowo: M. Martinez, R. Miguel, L. Rolandi i R. Tenchini, Precision Tests of Electroweak Interaction at the Z⁰ Pole, Rev. Mod. Phys. 71, 575 (1999).
[3] przykładowo: F. Wilczek, Beyond the Standard Model: This Time for Real, hep-ph/9809509.