Początek. Jim Baggott
sił. Dzięki interakcji, w jaką wchodzą z nim cząstki pozbawione masy, powstaje niezwykła tablica kwarków, leptonów i przenoszących oddziaływania bozonów, jaką znamy dzisiaj.
Dokładny przebieg interakcji cząstki z polem Higgsa zależy od tego, z jakiego rodzaju cząstką mamy do czynienia. Dla wielu z nich interakcja oznacza spowolnienie. Ewentualnie, jeśli wolicie, pole przeciwstawia się ich przyspieszeniu, wobec czego nie mogą ponownie rozpędzić się do prędkości światła. Zupełnie jakby pole Higgsa wciskało hamulec: przyspieszanie cząstki napotyka opór, którego zakres zależy od siły oddziaływania. Pole ciągnie się za nią niczym melasa.
Od czasów Galileusza skłaniamy się ku poglądowi, że powodem, dla którego cząstki przeciwstawiają się próbom nadania im przyspieszenia, jest ich masa bezwładna. Stąd nasze instynktowne postrzeganie masy jako pierwotnej czy też wewnętrznej cechy materii, kojarzącej nam się z ilością mieszczącego się w danym obiekcie „tworzywa”. Im więcej tego tworzywa, tym trudniej nadać ciału przyspieszenie.
Mechanizm Higgsa postawił tę logikę na głowie. Obecnie masę bezwładną interpretuje się jako miarę oporu, jaki pole Higgsa stawia przyspieszaniu danej cząstki, w innych okolicznościach bezmasowej. Będąc raczej wynikiem oddziaływania niż cechą wewnętrzną, masa stała się własnością drugorzędną.
Zobaczmy, jak to działa w szczególnym przypadku, jakim są nośniki oddziaływania słabego i elektromagnetyzmu. W istocie było to pierwsze formalne zastosowanie mechanizmu Higgsa w fizyce cząstek, opublikowane w 1967 roku przez Stevena Weinberga, a następnie w 1968 roku przez pakistańskiego teoretyka Abdusa Salama, z tym że ta ostatnia praca powstała na podstawie wcześniejszych dokonań Salama oraz brytyjskiego fizyka Johna Warda.
Od dawna wiadomo było, że oddziaływania słabe i elektromagnetyczne są ze sobą w jakiś sposób powiązane oraz że różnice w sile tych oddziaływań muszą być spowodowane faktem, iż w przeciwieństwie do bezmasowych fotonów nośniki oddziaływania słabego – cząstki W i Z – są z jakiegoś powodu „ciężkie”. Problem w tym, że według dostępnej w owych czasach wersji teorii kwantowej cząstki W i Z powinny być tak samo pozbawione masy jak foton.
Mechanizm Higgsa podsunął rozwiązanie. Przed złamaniem symetrii oddziaływanie elektrosłabe było przenoszone przez bezmasowe cząstki, które dla uproszczenia będziemy nazywali W+, W0, W– i B0. Interakcja z polem Higgsa sprawia, że cząstki W+ i W– zyskują masę. Nośniki oddziaływania słabego W0 i B0 łączą się, tworząc masywną cząstkę Z0 i bezmasowy foton. Masywne cząstki W+, W– i Z0 wiążemy z oddziaływaniem słabym, a bezmasowy foton z elektromagnetyzmem. To interakcja z pozostającym w tle polem Higgsa sprawia, że obydwa oddziaływania rozdzielają się i każde funkcjonuje na swój sposób.
W 1967 roku Weinberg oszacował, że każda z cząstek W może mieć masę 85 razy większą od masy protonu, cząstka Z0 zaś może być jeszcze cięższa, dorównując masie 96 protonów. Cząstki W zostały wykryte w CERN w latach 1982/1983, a ich masy okazały się równe masie 85 protonów, dokładnie jak przewidział to Weinberg. Odkrycie cząstki Z0 ogłoszono później w tym samym, 1983 roku, jej masa wynosiła 101 mas protonu.
Jak pamiętacie, każde pole kwantowe stowarzyszone jest z cząstką pola. W 1964 roku Higgs wskazał na możliwość istnienia elementarnej cząstki pola Higgsa, która z czasem stała się znana jako „bozon Higgsa”. W artykule z 1967 roku Weinberg uznał za konieczne wprowadzenie pola Higgsa z czterema składowymi. Trzy z nich nadają masę cząstkom W+, W– i Z0. Czwarta przejawia się jako cząstka istniejąca fizycznie – bozon Higgsa o spinie zero. W innej interpretacji można sobie wyobrazić, że cztery składowe pola odpowiadają czterem bozonom Higgsa. Cząstki W+, W– i Z0 zyskują masę, „absorbując” trzy z nich, a jeden zostawiają w spokoju.
4 lipca 2012 roku naukowcy z należącego do CERN Wielkiego Zderzacza Hadronów ogłosili, że odkryli nową cząstkę, „zgodną” z bozonem Higgsa. Miała masę około 133 protonów, a w interakcji z innymi cząstkami Modelu Standardowego zachowywała się tak, jak tego oczekiwano po bozonie Higgsa. W kolejnym komunikacie prasowym, datowanym na 14 marca 2013 roku, dokonano analizy i oceny danych z lat 2011 i 2012, kończąc następującą konkluzją: „(...) mamy do czynienia z bozonem Higgsa, aczkolwiek daleko nam jeszcze do ustalenia, jaką jego odmianę napotkaliśmy”28.
Fizyk amerykański Leon Lederman w opublikowanej w 1993 roku znanej książce Boska cząstka: jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie? (napisanej wspólnie z Dickiem Teresim) tłumaczy, dlaczego wybrał taki tytuł:
Ów bozon ma tak wielkie znaczenie dla stanu dzisiejszej fizyki, jest tak kluczowy dla naszego rozumienia struktury materii i tak nieuchwytny, że nazwałem go Boską Cząstką. Dlaczego? Z dwóch powodów. Po pierwsze, wydawca nie zgodziłby się na tytuł Piekielna Cząstka, choć możliwe, że to byłaby nawet trafniejsza nazwa, biorąc pod uwagę jej złośliwą naturę i wydatki, jakie przez nią ponosimy. A po drugie, opowieść ta jest w pewien sposób związana z inną, znacznie starszą księgą...
Następnie Lederman cytuje ustęp z Księgi Rodzaju.
Nazwa „boska cząstka” na stałe przylgnęła do bozonu Higgsa. Większość fizyków za nią nie przepada, tym bardziej że wyolbrzymia ona jego znaczenie. Oczywiście, to bardzo ciekawa cząstka, ale tym, co naprawdę fascynuje, jest pole Higgsa. Skalarne pola kwantowe zostały wprowadzone do teorii kwantowej jako mechanizm mający złamać symetrię i stworzyć masę. Chcąc „zobaczyć” bozon Higgsa, musieliśmy zbudować zderzacz cząstek zdolny wytworzyć na tyle wysoką energię, by zaburzyć lub wprawić w drgania pole Higgsa. Taki poziom energii musiał dominować pod koniec Ery Elektrosłabej, zaledwie jedną bilionową sekundy od Wielkiego Wybuchu.
Zatem mamy już dowód na to, że co najmniej jeden rodzaj pola Higgsa rzeczywiście istnieje. W 2013 roku Higgs i Englert zostali uhonorowani Nagrodą Nobla za swoje osiągnięcia sprzed 49 lat29.
MODEL STANDARDOWY FIZYKI CZĄSTEK
Jeśli fakt, że znaleziona w CERN w 2012 roku nowa cząstka jest charakterystyczna dla elektrosłabego pola Higgsa, znajdzie ostateczne potwierdzenie, to będzie on stanowił znakomite dopełnienie struktury teoretycznej znanej jako Model Standardowy fizyki cząstek. Co prawda, wprowadziłem już cząstki i siły opisywane Modelem Standardowym, ale ponieważ mowa tu o budulcu wszystkiego, co nas otacza, warto poświęcić chwilę i przyjrzeć się temu bliżej.
Rysunek 11 przedstawia zestawienie cząstek i sił Modelu Standardowego. Kwarki i leptony tworzą trzy „generacje”, różniące się masą cząstek. Czyli, jak wspomnieliśmy wcześniej, tym, co odróżnia jedną generację od drugiej, jest zakres oddziaływań z polem Higgsa.
Leptony obejmują zaliczające się do pierwszej generacji elektrony (zazwyczaj oznaczane symbolem e–) i neutrina elektronowe (ve). Oczywiście, elektron jest nam dobrze znany. Przenosi ładunek elektryczny równy –1 i ma niewielką masę rzędu 0,00054 masy protonu30.
Zapewne neutrino elektronowe nie wydaje się już tak znajome. Neutrino to włoskie określenie czegoś „małego i neutralnego”. To cząstka obojętna elektrycznie, która pojawia się w promieniowaniu beta, kiedy neutron w niestabilnym jądrze atomu ulega rozpadowi na proton, który pozostaje wewnątrz jądra, i szybko poruszający się elektron oraz neutrino elektronowe, które zostają wyrzucone. Przez pewien czas sądzono, że neutrina są cząstkami pozbawionymi masy, teraz jednak uważa się, że mają niewielką masę, tak małą, że trudno jest ją dokładnie zmierzyć i udaje się odnotować jedynie jej górne wartości.
Leptony drugiej generacji to mion (μ–) i neutrino mionowe (νμ). Mion również przenosi ładunek elektryczny o wartości –1 i ma masę rzędu 0,113 masy protonu. To cięższa