Cząstki elementarne. W poszukiwaniu fundamentalnej natury rzeczywistości

Co prawda, najlepszym językiem do opisu świata cząstek jest matematyka, jednak koncepcje, opisujące rzeczywistość w najmniejszej skali można oddzielić od matematycznych równań i uczynić je zrozumiałymi dla każdego.

Książka brytyjskiego fizyka, Gavina Hesketha “Cząstki elementarne” to opowieść o tym, co wiemy, czego jeszcze nie wiemy, i naszym nieustannym dążeniu do poszerzania wiedzy o najbardziej tajemniczych obiektach w naszym świecie.

To opowieść o kwarkach i leptonach, bozonach i symetriach, a także o największym eksperymencie w historii badań najmniejszych składników materii, jakie udało nam się do tej pory odkryć.

Żyjemy w złotej epoce fizyki cząstek, gdyż dysponujemy największym narzędziem badawczym, dzięki któremu przesuwamy granice ludzkiej wiedzy. Najbardziej ekscytujące jest jednak to, że możemy znajdować się u progu całkowicie nowego odkrycia, znacznie ważniejszego niż bozon Higgsa, odkrycia, które może doprowadzić do nowej rewolucji w postrzeganiu Wszechświata i naszego w nim miejsca.

Gavin Hesketh jest fizykiem eksperymentalnym z University College London. Obecnie pracuje przy eksperymencie ATLAS w CERN.

NOTA OD AUTORA I PODZIĘKOWANIA

To książka o Wszechświecie w najmniejszej skali. Kiedy spoglądamy na świat w tej właśnie skali, wszystko wydaje się stworzone z tego samego budulca, najbardziej fundamentalnych obiektów, jakie znamy: cząstek. Przystępując do pisania, chciałem dać czytelnikowi pewne wyobrażenie o tym, czym są te cząstki, jak się zachowują, skąd mogły się wziąć i dzięki czemu to wszystko wiemy. Pierwsza rzecz, którą o cząstkach trzeba wiedzieć, to fakt, że nie zachowują się one jak reszta ciał we Wszechświecie, z pewnością nie tak jak ciała, które znamy z naszych codziennych doświadczeń. To właśnie sprawia, że świat cząstek subatomowych jest tak interesujący, jednak dlatego też opisanie go stanowi nie lada wyzwanie.
Główny problem polega na tym, że najlepszym językiem do opisu świata cząstek jest matematyka. Z jednej strony więc, jeśli naprawdę chcecie zrozumieć cząstki, musicie nauczyć się ich języka, czyli poznać matematykę. Z drugiej strony, myślę, że wielkie idee i ciekawe koncepcje można oddzielić od równań matematycznych i zaprezentować w kategoriach codziennych doświadczeń. Taki przyświeca mi cel, gdy piszę tę książkę: ożywić subatomowy świat analogiami wykorzystującymi to, co znamy z naszego otoczenia. Analogie są jednak tylko metaforą, mają swoje ograniczenia, tak więc gdy któraś nie wyjdzie najlepiej, będzie to moja wina. Matematyka zwykle nie zwodzi na manowce!
Inny wybór, przed którym stanąłem w trakcie pisania tej książki, dotyczył selekcji materiału: co włączyć, a co pominąć? Fizyka cząstek rozwijała się przez ponad sto lat, a w rozwój ten zaangażowane były tysiące błyskotliwych uczonych – to mnóstwo ciekawych wątków do omówienia. Moja opowieść zawiera zatem ogólny zarys historii i opis współcześnie najbardziej fascynujących obszarów badań, ale nie stanowi wyczerpującej relacji. Pojawiają się w tej opowieści różni ludzie, ale również tu musiałem dokonywać wyboru. Tam gdzie mowa o historycznych osiągnięciach, za które już przyznano Nagrodę Nobla, podaję nazwiska badaczy kojarzonych z tymi odkryciami. Jednak w wypadku aktualnie prowadzonych badań sprawy nie są tak oczywiste. Wydaje mi się, że byłbym niesprawiedliwy, wybierając jedną lub dwie osoby związane z odkryciem bozonu Higgsa lub sformułowaniem teorii supersymetrii w znanej dziś formie. Postęp w nauce zawsze dokonywał się dzięki zbiorowemu wysiłkowi i nigdzie nie jest to bardziej prawdziwe niż w fizyce cząstek, niezależnie od tego, czy mowa o badaniach eksperymentalnych, czy rozważaniach teoretycznych. Zamiast grzęznąć w długich listach nazwisk, zdecydowałem się skupić na wielkich tematach aktualnie prowadzonych badań.
Nie jest też możliwe, aby podziękować wszystkim osobom, które były zaangażowane w powstanie tej książki. Z omówionymi dalej ideami stykałem się w mojej osobistej karierze naukowej, jakąś rolę zatem odegrał każdy, z kim pracowałem, każdy, z kim rozmawiałem o bozonie Higgsa przy kawie. Proces spisywania wszystkich tych doświadczeń na papierze to już zupełnie inna para kaloszy, dziękuję więc mojemu redaktorowi, Wayne’owi Daviesowi, za wszelkie sugestie, dziękuję również Erice, bez której wsparcia i miłości niemal na pewno nic z tego by nie wyszło.

Zapewne przymiotnik „piękna” nie jest pierwszym, jaki przychodzi do głowy, gdy myślimy o nauce, choćby z tego powodu, że tak trudno o obiektywne standardy w tym zakresie. Wystarczy jednak zobaczyć coś, żeby wiedzieć, iż jest piękne. Miałem siedemnaście lat, gdy po raz pierwszy dostrzegłem piękno fizyki. Stało się to w momencie, gdy zauważyłem, jak za sprawą dwóch różnych idei nagle zostaje nakreślone nieoczekiwane połączenie pomiędzy dwoma pozornie całkowicie różnymi zagadnieniami, jak pewne koncepcje nieustannie, raz za razem, powracają. I najważniejsze, dostrzegłem, jak wszystko to da się wyrazić w postaci kilku prostych, lecz potężnych równań. Kiedy bada się te zagadnienia, nie sposób oprzeć się wrażeniu, że dotykamy, choćby tylko przez krótką chwilę, głębszej prawdy o otaczającym nas świecie.
Historia rozwoju tych idei jest opowieścią o ludzkiej kreatywności i nieskrępowanej wyobraźni, przeplataną przemianami w kulturze i polityce, usianą błędami i szczęśliwymi zwrotami losu, naznaczoną ślepymi zaułkami i przełomami. Piękno nauki to jednak coś więcej niż zachwyt: pojedyncze równanie naprawdę może powiedzieć nam o Wszechświecie coś, co jest równie prawdziwe dzisiaj, jak było prawdziwe miliardy lat temu, i może nam powiedzieć, co wydarzy się w przyszłości mierzonej w miliardach lat.
Obraz wciąż nie jest kompletny i w przyszłości naukowcy będą kontynuowali dzieło objaśniania cudów otaczającego nas świata. Fizyka cząstek stanowi chyba najbardziej ekstremalną część tego zadania, jest bowiem próbą zrozumienia Wszechświata dzięki badaniu najmniejszych jego elementów – cząstek elementarnych. Najmniejszych składników materii, stanowiących podstawowy materiał budulcowy, tworzący was, mnie i cały świat. Te same cząstki składają się na Słońce, całą naszą Galaktykę i miliardy innych galaktyk. Istniały niemal przez całą historię Wszechświata.
Właśnie o tych cząstkach piszę w książce. To opowieść o tym, czym są, jak się zachowują, opowieść o możliwościach, które istnieją w świecie wokół nas. To również opowieść o tym, skąd wzięły się wszystkie te cząstki, jak wszystko się zaczęło i jaki może mieć koniec. Są to jedne z najpoważniejszych pytań, jakie można zadać, a poszukiwanie na nie odpowiedzi doprowadziło do nakreślenia obrazu Wszechświata dziwniejszego, niż mogliśmy sobie wyobrażać. To opowieść o tym, co wiemy, jak też o tym, czego jeszcze nie wiemy, i naszym dążeniu do poszerzenia wiedzy. To opowieść o kwarkach i leptonach, bozonach i symetriach, a także o największym eksperymencie w historii badań najmniejszych składników materii, jakie udało nam się do tej pory odkryć.
Eksperymenty odgrywają bezwzględnie kluczową rolę w tej opowieści. Możemy zrozumieć Wszechświat tylko dzięki dokonywaniu pomiarów jego parametrów. Eksperymenty, które opiszę, mieszczą się na samym szczycie skali przedsięwzięć – na przykład Wielki Zde­rzacz Hadronów, ogromny akcelerator cząstek o długości 27 kilometrów, w którym badane są najbardziej ekstremalne warunki, jakie kiedykolwiek zostały stworzone w laboratorium naukowym – ale są wśród nich też mniej znane, choćby olbrzymi zbiornik wypełniony płynnym detergentem, ulokowany w opuszczonej kopalni w Dakocie Południowej, mający badać wnętrze Słońca. Trwające ponad sto lat badania doprowadziły do ujawnienia całego zoo egzotycznych cząstek i sformułowania najbardziej udanej teorii naukowej, jaką kiedykolwiek opracowano: Modelu Standardowego. Opisuje on zachowanie cząstek i ich oddziaływania, a także objaśnia wszystko – od procesów formowania się atomów i reakcji syntezy we wnętrzu Słońca po sposób, w jaki cząstki te kształtują otaczający nas świat. Symbolem autentycznego sukcesu Modelu Standardowego jest to, że trafnie przewidział wynik każdego eksperymentu, jaki do tej pory byliśmy w stanie wykonać.
Co się tyczy mojej osoby, to długo po tym, gdy połknąłem bakcyla fizyki, zdecydowałem się na karierę w dziedzinie fizyki wysokich energii, w ośrodkach dysponujących najwydajniejszymi akceleratorami na świecie, gdzie zająłem się wyszukiwaniem nowych sposobów na testowanie Modelu Standardowego w coraz to bardziej ekstremalnych warunkach. Teraz, będąc wykładowcą na wydziale Eksperymentalnej Fizyki Cząstek w University College London, miałem szczęście pracować w Wielkim Zde­rzaczu Hadronów przy eksperymencie ATLAS, kiedy w 2012 roku znaleźliśmy odpowiedź na ostatnie pytanie dotyczące Modelu Standardowego. W końcu został odkryty ostatni element teorii, którego istnienie przewidziano blisko czterdzieści lat wcześniej i którego od tamtej chwili gorączkowo poszukiwano: bozon Higgsa. U zarania cząstka ta była manifestacją matematycznej sztuczki, lecz ostatecznie stała się kluczem do całej teorii – autentycznie spaja ona Model Standardowy, a jej odkrycie odsłania głębsze zasady rządzące zachowaniem Wszechświata.
Żyjemy w złotej epoce fizyki cząstek, gdyż dysponujemy największym narzędziem badawczym, dzięki któremu przesuwamy granice ludzkiej wiedzy. Najbardziej ekscytujące jest jednak to, że być może znajdujemy się u progu całkowicie nowego odkrycia, znacznie ważniejszego niż bozon Higgsa, odkrycia, które może doprowadzić do nowej rewolucji w postrzeganiu Wszechświata i naszego w nim miejsca.

Świat atomowy

Zanim zajmiemy się rewolucjonizowaniem fizyki, powinienem przedstawić głównych aktorów tego przedstawienia, podstawowe elementy budulcowe Wszechświata i siły, które decydują o ich ruchu. Opowieść zaczyna się więc od atomów.
W szkole uczymy się, że wszystko zbudowane jest z atomów, jednak jeśli się nad tym zastanowić, myśl ta potrafi wprawić człowieka w niemałe zdumienie. Cała ta oszałamiająca różnorodność materii tworzącej świat wokół nas, na którą składają się ciała stałe, takie jak ta książka, ciecze, na przykład woda, wszystkie stworzenia na Ziemi i powietrze, którym oddychamy, wszystko to zbudowane jest z atomów. Nie dostrzegamy ich tylko dlatego, że są tak małe. Weźmy dowolne, zwyczajne ciało fizyczne, choćby kartkę papieru, i zacznijmy je ciąć. Otrzymamy mniejsze skrawki papieru – długości centymetra, milimetra, ułamka milimetra. Jeśli mielibyśmy magiczny nóż, pozwalający kontynuować cięcie na jeszcze mniejsze fragmenty, doszlibyśmy w pewnym momencie do skrawka złożonego z jednej cząsteczki, a po kolejnym cięciu mielibyśmy już atomy. Atomy są malutkie – na linii o szerokości włosa zmieściłoby się ich około miliona.
Współczesne pojęcie atomu rodziło się w XIX wieku, gdy zebrano silne, przemawiające za nim dowody eksperymentalne, od ruchów Browna (widoczne pod mikroskopem drgania drobnych pyłków roślin, trącanych przez niedostrzegalne cząsteczki wody), przez zachowanie gazów, po sposoby, w jakie różne pierwiastki chemiczne się łączą, aby utworzyć nowe związki. We wszystkich tych eksperymentach atomy zdają się zachowywać jak małe kulki, co znalazło odzwierciedlenie w znaczeniu słowa „atom”, pochodzącego od greckiego wyrazu oznaczającego coś niepodzielnego. Stanowi to ukłon w stronę starożytnej tradycji filozoficznej, zgodnie z którą budowa Wszechświata opiera się na podstawowych, niepodzielnych elementach. Istnieją różne rodzaje atomów i mogą one łączyć się z sobą, aby utworzyć cząsteczki, takie jak choćby cząsteczka wody, H2O, składająca się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Cząsteczki mogą się łączyć, tworząc różne substancje, na przykład wtedy, gdy cząsteczki wody zamieniają się w lód. Atomy i cząsteczki znajdują się w nieustannym ruchu i zderzają się z sobą. Postrzegamy ten ruch jako ciśnienie i temperaturę: więcej zderzeń przekłada się na większe ciśnienie, większa prędkość zderzeń oznacza wyższą temperaturę.
Jeżeli atomy zachowują się jak małe kulki, to muszą być małymi ciałami stałymi, zlepionymi z czegoś, toteż sensownie jest zapytać, czym jest to coś… w końcu chodzi o poszukiwanie fundamentalnej natury rzeczywistości! Atomy są jednak o wiele za małe, aby obserwować je bezpośrednio, toteż dopiero na początku XX wieku przeprowadzono eksperymenty, które pozwoliły dowiedzieć się o nich nieco więcej. Obecnie wiemy, że wcale nie są one niepodzielne, ale składają się z chmury elektronów krążących wokół małego, ciężkiego jądra, zbudowanego z protonów i neutronów – trochę jak planety krążące wokół Słońca w Układzie Słonecznym. Opierając się na tej analogii, możemy powiedzieć, że skoro nasz Układ Słoneczny zawiera osiem planet, to możemy porównać go do atomu z ośmioma elektronami, czyli do atomu tlenu. Jeśli powiększylibyśmy atom tlenu milion miliardów miliardów razy, jądro miałoby mniej więcej rozmiary Słońca, a reszta atomu wyglądem przypominałaby Układ Słoneczny, tylko nieco większy – najbliższe jądra elektrony znajdowałyby się odrobinę za orbitą Jowisza, natomiast najdalsze – daleko za orbitą Neptuna. Układ Słoneczny to kilka planet rozłożonych na milionach kilometrów próżni kosmicznej, podobnie atom to kilka elektronów krążących wokół położonego centralnie malutkiego jądra atomowego. Jest to jedna z najbardziej zaskakujących informacji na temat atomów: są one niemal całkowicie puste, co nie zmienia faktu, że mogą trzymać się razem i tworzyć wszystkie ciała stałe z naszego otoczenia. Jest to możliwe dzięki oddziaływaniu, jakie zachodzi pomiędzy sąsiadującymi z sobą atomami, co stanowi pierwszą wskazówkę, iż cząstki są ważne, ale tym, co naprawdę się liczy, są zachodzące między nimi oddziaływania.
Skoro już zapytaliśmy, z czego zbudowane są atomy, możemy zadać kolejne pytanie: z czego zbudowane są cząstki znajdujące się we wnętrzu atomów? Obecnie wiemy, że protony i neutrony zbudowane są z cząstek nazywanych kwarkami. Dwa rodzaje kwarków, które nazywamy kwarkami „górnym” i „dolnym”, łączą się na dwa sposoby – górny, górny, dolny tworzą proton, natomiast dolny, dolny, górny tworzą neutron. Wszystko zbudowane jest z atomów, atomy zaś zbudowane są z tych trzech rodzajów cząstek: elektronów, kwarków górnych i kwarków dolnych.
Według naszej obecnej wiedzy, kwarki te i elektrony są naprawdę elementarne: nie wydaje się, aby były zbudowane z czegoś mniejszego. Mogą być podstawowymi elementami budulcowymi Wszechświata.

Od atomów do cząstek

Cząstka elementarna to rzecz dość osobliwa. Weźmy taki elektron: nie jest to mała bryłka jakiejś substancji, ponieważ moglibyśmy wtedy zapytać, co to za substancja, a sam elektron straciłby status cząstki elementarnej, jeśli byłby zbudowany z czegoś innego. Elektron… po prostu jest. Nie wiemy tak naprawdę, jakie ma rozmiary, a w równaniach fizyki cząstek wszystkie cząstki elementarne traktowane są jak obiekty nieskończenie małe. Każda cząstka charakteryzowana jest przez inny zbiór własności, takich jak masa, ładunek elektryczny i tak dalej, ale nie ma wśród nich rozmiarów fizycznych.
Skoro są to tak dziwne obiekty, nie powinno być żadną niespodzianką, że zachowują się dziwnie: prosperują w niezwykłym świecie mechaniki kwantowej. Teoria ta była rozwijana w latach dwudziestych XX wieku i przyniosła prawdziwą rewolucję w naszym rozumieniu Wszechświata. Opisuje ona zachowanie cząstek, które mocno różni się od wszystkiego, co znamy z codziennego doświadczenia. O mechanice kwantowej, losowości i nieoznaczoności, za sprawą których cząstki tak dziwnie się zachowują, piszę w rozdziale 2.
Po części prawdziwa natura cząstek elementarnych wciąż pozostaje zagadką. Czasami zachowują się one jak małe kulki, innym razem są niczym niewyraźna chmura, jakby wokoło latała malutka, nieznośna mucha. Uwięzienie elektronu na orbicie wokół jądra atomu przypomina schwytanie takiej muchy do butelki – będzie ona miotała się od ściany do ściany naczynia, co zupełnie nie jest podobne do ruchu planet w Układzie Słonecznym, które grzecznie poruszają się po regularnych orbitach. Niepowodzenie planetarnego modelu atomu było jednak tylko pierwszą z szeregu niespodzianek związanych z cząstkami elementarnymi, które potrafią odbywać podróże w czasie w przeszłość, naginać prawa fizyki, materializować się z niebytu i przemieniać w zupełnie inne cząstki.
Podczas gdy wszystkie cząstki elementarne zachowują się dziwnie, przynajmniej część ich cech jest jednakowa i dzięki tym podobieństwom możemy ów subatomowy świat trochę uporządkować. Elektrony są przykładem cząstek, które nazywamy fermionami, na cześć Enrica Fermiego (którego uhonorowano nazwą teleskopu kosmicznego, laboratorium fizyki cząstek, pierwiastka chemicznego, kilku ulic i reaktorów jądrowych). Znamy 12 różnych fermionów, wśród których znajdują się elektron oraz kwarki górny i dolny, czyli „cząstki materii”, z których zbudowane są wszelkie substancje we Wszechświecie. Podstawową własnością wszystkich fermionów jest to, że ich rozmyte chmury nie nakładają się na siebie, lecz układają się raczej jedne na drugich niczym małe plastykowe klocki – taki rozkład elektronów w atomach skutkuje tym, że pierwiastki chemiczne różnią się własnościami chemicznymi, a także przyczynia się do tego, że możliwe jest budowanie przez substancje struktur otaczającego nas świata.
Te fundamentalnie dziwne cząstki tworzą wszystkie ciała fizyczne wokół nas, lecz jednocześnie niezwykle trudno jest je zidentyfikować. Są to obiekty bezwymiarowe, lecz mimo to zajmują miejsce w przestrzeni. Zderzamy je w akceleratorach cząstek, aby badać ich zachowanie, ale im bliżej im się przyglądamy, tym dziwniejsze się wydają. Na następnych stronach omówię część tej aury osobliwości i opiszę, jakie wynikają stąd wnioski na temat natury na jej najbardziej fundamentalnym poziomie.