Czytaj dalej

Latem 2012 roku miało miejsce bodaj najbardziej medialne odkrycie w historii fizyki cząstek elementarnych. Jednak mimo upływu pięciu lat od tej wielkiej wrzawy, nadal mało kto zdaje sobie sprawę z roli jaką odgrywa bozon Higgsa w opisie masy, czasu i… oddziaływania słabego.

Nie nadążam za szcze­gó­łami fizyki cząstek. 

Murray Gell-Mann

Nie-boska cząstka

Bozon o którym będzie mowa dzien­ni­ka­rze ochrzcili boską cząstką, o czym na pewno dosko­nale wiecie. Sam Peter Higgs pół żartem, pół serio, twier­dził, że postu­lo­wany przez niego obiekt powinien raczej nosić nazwę “cho­ler­nej cząstki”, z uwagi na trudność jej wykrycia. Tak czy inaczej fama poszła w świat i chyba nie ma sensu dalej kruszyć kopii, prosząc o sto­so­wa­nie mniej pre­ten­sjo­nal­nego nazew­nic­twa. Zresztą brzmiący bardziej naukowo higgson, czy też bozon Higgsa, również nie jest wolny od kon­tro­wer­sji z uwagi na wysu­nię­cie przed szereg tylko jednego z grona zacnych fizyków, bio­rą­cych udział w kształ­to­wa­niu skom­pli­ko­wa­nej teorii. (Warto wykonać ten drobny ukłon i wymienić w tym miejscu François Englerta, Roberta Brouta, Carla Hagena – a także głównych archi­tek­tów modelu stan­dar­do­wego, którzy również dorzu­cili tu swoje trzy grosze – Sheldona Glashowa oraz Stevena Weinberga).

Peter Higgs, odkrywca cząstki

Warto zadać sobie pytanie, skąd w ogóle pomysł tak nie­skrom­nego tytułu dla naukowej idei? Jakie sko­ja­rze­nia nakazały laikom określić poszu­ki­waną cząstkę wznio­słym mianem “boskiej”? Praw­do­po­dob­nie główną prze­słanką było kapi­talne zna­cze­nie bozonu Higgsa dla ist­nie­nia całej materii w obecnym kształ­cie. W końcu uczeni polowali na cząstkę nadającą wszyst­kiemu dookoła i nam samym masę! To jest ten moment, w którym czuję się zmuszony do ostu­dze­nia Waszych sza­now­nych głów. I tak, i nie. Owszem, “boska cząstka” wspa­niale uzu­peł­niła naszą teorię cząstek ele­men­tar­nych i rze­czy­wi­ście ma sporo wspól­nego z pojęciem masy – ale na swój subtelny sposób, dość mocno odbie­ga­jący od narzu­ca­ją­cych się powszech­nie sko­ja­rzeń. Jeszcze przed zakoń­cze­niem lektury tego artykułu, zro­zu­mie­cie dlaczego liczne memy i żarty np. łączące bozon Higgsa z pro­ble­mem otyłości, choć czasem zabawne, tak naprawdę powstały przez kom­pletne nie­zro­zu­mie­nie tematu.

Higgson nadaje innym cząstkom masę

Na dobrą sprawę, równie dobrze zamiast “boskiej” mogli­by­śmy roz­ma­wiać o “dia­bel­skiej cząstce”, gdyż naj­waż­niej­szym osią­gnię­ciem higgsonu pozo­staje dewa­sta­cja. Kon­kret­niej, bez­ce­re­mo­nialne i brutalne rozbicie pier­wot­nej symetrii cechu­ją­cej wszech­świat, zaraz po jego narodzinach.

Na początku była światłość

Pierwsze mikro­se­kundy były zde­cy­do­wa­nie naj­bar­dziej dyna­micz­nym okresem w dziejach kosmosu. W piekle wiel­kiego wybuchu zacho­dziły nie­sły­cha­nie skom­pli­ko­wane procesy, które dopro­wa­dziły do wytrą­ce­nia wszyst­kich cegiełek budu­ją­cych naszą materię oraz dyry­gu­ją­cych nimi czterech oddzia­ły­wań. Rzecz jasna oznacza to, że nim nastał ten cały harmider, wszech­świat nie posiadał jako takiej materii i znanych nam obecnie sił przyrody. Panował stan okre­ślany przez fizyków jako w pełni syme­tryczny, w naj­głęb­szym możliwym zna­cze­niu tego słowa. Na ogół poj­mu­jemy symetrię przez pryzmat geo­me­trii. Piłeczka golfowa zacho­wuje ele­gancką symetrię, gdyż nie­za­leż­nie od jej obrotu zawsze wygląda ona tak samo. Możemy ją również przeciąć wzdłuż średnicy aby otrzymać dwie iden­tyczne połówki. Wystar­czy jednak abyśmy nacięli piłeczkę w którymś miejscu, przy­pa­lili lub wywier­cili dziurę, a jej symetria zostanie złamana. Wszech­świat ujawnia swoją sympatię do symetrii na wiele sposobów. Wypeł­nia­jące prze­strzeń mikro­fa­lowe pro­mie­nio­wa­nie tła wydaje się niemal rów­no­mier­nie roz­ło­żone, niosąc tem­pe­ra­turę 2,7 K nie­za­leż­nie od miejsca pomiaru. Prawa przyrody i stałe fizyczne działają iden­tycz­nie tak na Ziemi, jak i na Andro­me­dzie czy w pobliżu kwazara 3C 273. Energia w formie pro­mie­nio­wa­nia gamma potrafi dopro­wa­dzić do kreacji cząstek materii, przy czym wyemi­to­wa­nemu elek­tro­nowi zawsze towa­rzy­szy dodatnio nała­do­wany pozyton. 

Wiedząc o zami­ło­wa­niu natury do nie­ska­zi­tel­nej równości, gład­ko­ści i nie­zmien­ni­czo­ści, mamy pełne prawo zasta­na­wiać się nad tym, dlaczego w ogóle ist­nie­jemy. Czy dążący do symetrii wszech­świat nie powinien przy­po­mi­nać jed­no­rod­nej, bliź­nia­czej w każdym calu papki? W istocie fizyka zakłada, że tak właśnie wyglądał wszech­świat w wieku nie­mow­lę­cym. Przy eks­tre­mal­nie wysokiej energii, powy­krę­caną cza­so­prze­strzeń wypeł­niała ławica abso­lut­nie nie­roz­róż­nial­nych pra­czą­stek. Elektron był tym samym co mion, a mion tym samym co taon. Można by posunąć się do stwier­dze­nia, że tę pier­wotną zupę tworzyła świa­tłość, ponieważ syme­trycz­nym drobinom naj­bli­żej było do fotonów, nie­skrę­po­wa­nych masą czy ładun­kiem elektrycznym. 

Jednak wraz ze zmniej­sza­niem energii, na powierzchni tego dosko­na­łego krysz­tału przyrody zaczy­nały uwi­dacz­niać się pęk­nię­cia. Na nasze szczę­ście, gdyż trudno sobie wyobra­zić aby podobne fotonom arcy­sy­me­tryczne pra­cząstki, mogły zbudować jaką­kol­wiek trwałą struk­turę. Tak więc cząstki nabie­rały cech, docho­dziło do wza­jem­nych inte­rak­cji, poja­wiały się kolejne oddzia­ły­wa­nia i prze­no­szące je pola kwantowe. A do jednego z tych fun­da­men­tal­nych pęknięć w symetrii dopro­wa­dziła cząstka nazywana obecnie bozonem Higgsa.

Bezmasowe pracząstki

Zanim przej­dziemy dalej, musimy głębiej roz­pa­trzeć analogię między syme­tryczną zupą cząstek powsta­łych w momencie wiel­kiego wybuchu i fotonami będącymi nośni­kami elek­tro­ma­gne­ty­zmu. Jak powie­dzie­li­śmy, kwant światła nie posiada masy (używając muze­al­nej ter­mi­no­lo­gii, tzw. masy spo­czyn­ko­wej). Tylko co to tak naprawdę oznacza? Otóż naj­bar­dziej kla­syczna defi­ni­cja masy mówi nam, że jest ona miarą ilości materii, czy też miarą bez­wład­no­ści. Jeżeli ciało posiada dużą masę, trudniej nam je wprawić w ruch, niż inne ciało o masie mniej­szej. Jednak w przy­padku fotonu mamy do czy­nie­nia z masą równą zeru. Problem ulega odwró­ce­niu: fotonu w zasadzie nie da się zatrzy­mać, a on sam nie­ustan­nie pędzi przez prze­strzeń z naj­wyż­szą dopusz­czalną przez fizykę pręd­ko­ścią, czyli pręd­ko­ścią światła.

Ale nie to nas inte­re­suje naj­bar­dziej. W 1905 roku Albert Einstein opu­bli­ko­wał swoją szcze­gólną teorię względ­no­ści. Jak zapewne pamię­ta­cie, postu­lo­wał w niej, że czas pozo­staje względny i zależy od ruchu obser­wa­tora. Jeśli wsią­dzie­cie na pokład rakiety i zacznie­cie krążyć wokół Ziemi z bliską światłu pręd­ko­ścią, po powrocie zauwa­ży­cie, iż Wasi rówie­śnicy zesta­rzeli się znacznie bardziej od Was. Ta sama zasada dotyczy cząstek ele­men­tar­nych. Jeśli wiemy, że pozo­sta­jąca w stanie spo­czynku cząstka ulega roz­pa­dowi po upływie milio­no­wej części sekundy, to przy­śpie­sza­jąc ją w akce­le­ra­to­rze wydłu­żamy jej żywot setki, tysiące lub miliony razy. Gdybyśmy byli w stanie nadać jej prędkość światła, to nie roz­pa­dłaby się nigdy. Jej wewnętrzny zegar prze­stałby tykać, cząstka zasty­głaby w czasie. Niestety to nie­moż­liwe, bowiem – jak nauczał Einstein – ciała obda­rzone masą, nawet tak małą jak elektron lub neutrino, nie da się roz­pę­dzić do 100% pręd­ko­ści c.

Z tego punktu widzenia foton wydaje się nie­zwy­kły. Nie musimy go przy­śpie­szać, bo chcąc nie chcąc on zawsze porusza się z pręd­ko­ścią światła. Co za tym idzie, foton się nie starzeje i nawet jeśli z naszej per­spek­tywy od wiel­kiego wybuchu upłynęło 13,82 mld lat, to dla wyemi­to­wa­nego wtedy kwantu światła nie minęła nawet sekunda.

Zacho­wa­nie cząstek w cza­so­prze­strzeni. Cząstka bez­ma­sowa (foton) prze­miesz­cza się wyłącz­nie w prze­strzeni, zostając zamro­żona w czasie.

Kiedy więc podej­miemy tyta­niczne wyzwanie wyobra­że­nia sobie przed­wiecz­nej brei cząstek o dosko­na­łej symetrii, o iden­tycz­nej masie równej zero; myślimy o wszech­świe­cie wypeł­nio­nym obiek­tami dla których pojęcie czasu nie ma żadnego sensu. Aż chce się zadań pytanie, czy jeśli nie istnieje nawet naj­pry­mi­tyw­niej­szy obiekt odczu­wa­jący upływu chwili, to czy w ogóle można mówić o ist­nie­niu czasu? Zostawmy to jednak filo­zo­fom i przejdźmy do bardziej fizycz­nych problemów.

Zobacz też: Fotony, czyli bez­ma­sowi hip­ste­rzy zamro­żeni w czasie
To trochę nie­in­tu­icyjne, ale między 99,99999…% c, jakie osiągają masywne cząstki w akce­le­ra­to­rach, a pełną pręd­ko­ścią światła dostępną fotonowi, leży kolo­salna różnica. Gdybyśmy założyli pro­to­nowi z akce­le­ra­tora zegarek i obser­wo­wali jego wska­za­nia, dostrze­gli­by­śmy efekt dyla­ta­cji – wska­zówki poru­sza­łyby się wolniej niż na zegarze powie­szo­nym na ścianie. Im bliżej c, tym większa różnica w pomiarze. Jednak proton posiada masę, toteż nie ma na świecie siły, która zdo­ła­łaby go roz­pę­dzić do pręd­ko­ści światła… 

Cząstki zaczynają tykać

Mogłoby się wydawać, iż czas nie ma więk­szego zna­cze­nia z punktu widzenia bytów sub­a­to­mo­wych. W końcu, jaką robi różnicę jakiejś nie­świa­do­mej cząstce czy czas istnieje czy nie? A jednak. Okazuje się, że nawet naj­mniej­sze obiekty posia­dają wewnętrzne zegarki i są zdolne do prze­cho­dze­nia przemian w okre­ślo­nych odcin­kach cza­so­wych. Naj­lep­szym przy­kła­dem takiego procesu jest wspo­mniany już wcze­śniej rozpad cząstki.

Dla wielu będzie to szokiem, ale właśnie próba dokład­nego zro­zu­mie­nia zjawiska rozpadu napro­wa­dziła badaczy na trop bozonu Higgsa. Poko­le­nie fizyków nie polowało wcale na pra­przy­czynę ist­nie­nia masy, lecz usi­ło­wało skom­ple­to­wać opis oddzia­ły­wa­nia słabego. Samo oddzia­ły­wa­nie słabe pozo­staje złożonym i nie­zwy­kle ciekawym zagad­nie­niem, które nie­wąt­pli­wie doczeka się na blogu osobnego opra­co­wa­nia. W tym miejscu chcę jedynie przy­wo­łać stosowne minimum, konieczne dla zro­zu­mie­nia praw­dzi­wej roli bozonu Higgsa, będącego de factonośni­kiem ładunku słabego. Ale powoli.

Jak usta­li­li­śmy, cząstki mogące pochwa­lić się masą różną od zera pozo­stają dyna­miczne. W pewnym sensie fun­da­men­talne cegiełki materii bez przerwy tykają. Nie jak zegar, raczej podobnie do metro­nomu poma­ga­ją­cego muzykom złapać rytm. Oczy­wi­ście elektron, mion czy taon nie posia­dają żadnej wychy­la­ją­cej się wte i we wte wska­zówki lub wahadła. Jego rolę pełni pewna fizyczna wła­ści­wość nazywana skręt­no­ścią. Cząstka zacho­wuje się niczym małe wier­tełko, wirujące zgodnie z ruchem wska­zó­wek zegara lub odwrot­nie. (Ściślej jest to wielkość związana ze spinem. O ile cząstka porusza się w kierunku zgodnym ze spinem mówimy o cząstce pra­wo­skręt­nej, a jeśli spin wyznacza kierunek prze­ciwny do ruchu, to mamy cząstkę lewo­skrętną). Pod­kreślmy: to nie jest tak, że jedne cząstki są lewo­skrętne a inne pra­wo­skrętne, lecz poje­dyn­cze cząstki oscylują w czasie między pra­wo­skręt­no­ścią i lewo­skręt­no­ścią. Wte i we wte, właśnie niczym metronom. Spo­strze­gaw­czy czy­tel­nik już w tym miejscu zauważy nie­zbęd­ność fenomenu masy. Gdybyśmy ją nagle wyłą­czyli, cząstka nie byłaby w stanie oscy­lo­wać i zasty­głaby w jednym z dwóch stanów. Jak zaraz się prze­ko­namy, owe stany nieco różnią się cha­rak­te­ry­styką, ergo bez pola Higgsa przy­kła­dowy pra­wo­skrętny mion byłby inną cząstką od mionu lewo­skręt­nego. (Z drugiej strony, być może gdyby nie bozon Higgsa, materia nie miałaby skąd pobierać ładunku słabego, co w połą­cze­niu z brakiem oscy­la­cji znów dawałoby piękny, dosko­nale syme­tryczny wszechświat).

Słaby Higgs

Rozpad mionu

Przejdźmy teraz do obie­ca­nej sprawy oddzia­ły­wa­nia słabego. Jest ono jednym z czterech (obok gra­wi­ta­cji, elek­tro­ma­gne­ty­zmu i oddzia­ły­wa­nia silnego) filarów funk­cjo­no­wa­nia fizycz­nej rze­czy­wi­sto­ści. Jednak podobnie jak w przy­padku silnego oddzia­ły­wa­nia jądro­wego, na co dzień nie zaprzą­tamy sobie nim głowy. Nic dziwnego, albowiem jego głównym zadaniem pozo­staje pośred­ni­cze­nie w niezbyt spek­ta­ku­lar­nym procesie rozpadu cząstek. O tym jak oddzia­ły­wa­nie słabe działa naj­ła­twiej prze­ko­nać się na przy­kła­dzie mionu, masyw­niej­szego kuzyna elek­tronu. Spo­czy­wa­jący mion zazwy­czaj przed upływem dwóch mikro­se­kund rozpada się z wyzwo­le­niem neutrina mio­no­wego, elek­tronu i anty­neu­trina elek­tro­no­wego. Jednakże, nie dzieje się to w taki prosty i intu­icyjny sposób, w jaki rozpada się choćby roz­tłu­czony talerz. W pierw­szym momencie z mionu wylatuje neutrino mionowe i tajem­ni­cza, zaska­ku­jąco masywna cząstka nazywana bozonem W (wuonem) i dopiero z niej wyska­kuje elektron i anty­neu­trino elek­tro­nowe. Pośred­nik w formie wuonu jest szcze­gólną cząstką, ist­nie­jącą wyłącz­nie ułamek sekundy i tylko przez dobro­dziej­stwo kwan­to­wej natury próżni (jeśli nie sły­sza­łeś o tym zdu­mie­wa­ją­cym zagad­nie­niu, odsyłam do tego tekstu). Zgodnie z zasadą nie­ozna­czo­no­ści, przyroda może “wypo­ży­czyć” ogromną energię aby pomóc w wykre­owa­niu masyw­nego bozonu, aby po krótkiej chwili ją zwrócić. Gdyby wuon był lżejszy, miałby odpo­wied­nio większe praw­do­po­do­bień­stwo powsta­nia, a cząstki ule­ga­łyby szybszym i częst­szym rozpadom.

Teraz naj­waż­niej­sze. Fizycy zauwa­żyli, że oddzia­ły­wa­nie słabe atakuje wyłącz­nie cząstki w stanie lewo­skręt­no­ści. Innymi słowy jedynie cząstki lewo­skrętne wydają się wrażliwe na obecność ładunku słabego i tylko podczas tyk­nię­cia w lewo mają szansę na rozpad. 

To doprawdy kosz­marna infor­ma­cja! Mamy tu przykład ordy­nar­nego zlek­ce­wa­że­nia zasad symetrii. Prze­kła­da­jąc nasz problem na język elek­tro­ma­gne­ty­zmu, stwier­dzi­li­by­śmy, że cząstka lewo­skrętna posiada ładunek ujemny i kon­wer­tuje w cząstkę pra­wo­skrętną o ładunku zerowym. Co jak co, ale fizyka pro­pa­guje rów­no­upraw­nie­nie i na takie rzeczy nie pozwala. Ładunek nie ma prawa ot tak nagle zniknąć, bo gwał­ci­łoby to zasadę zacho­wa­nia. W takiej sytuacji fizyk wręcz musi założyć udział w zabawie kolej­nego gracza, który przy­wróci w rów­na­niach ład i porządek.

Dlaczego bozon Higgsa musiał istnieć?

Wtem na scenę wma­sze­ro­wuje boha­ter­skim krokiem bozon Higgsa. Aby wszystko zgrywało się w spójną całość, prze­strzeń całego wszech­świata musi pozo­sta­wać wypeł­niona kwan­to­wym polem ska­lar­nym, którego nośnik posiada ujemny ładunek oddzia­ły­wa­nia słabego. Tykająca od lewa do prawa cząstka nie­ustan­nie korzysta z pomocy właśnie tego pola. Roz­pa­trzmy to. Pra­wo­skrętny mion posiada neu­tralny ładunek słaby, wchodzi w inte­rak­cję z wszech­obec­nym hig­g­so­nem o ujemnym ładunku słabym i prze­kształca się w mion lewo­skrętny, przyj­mu­jąc od niego ładunek słaby. Sam bozon Higgsa nosi znamiona cząstki wir­tu­al­nej (podobnie do wspo­mnia­nego już wuonu czy opi­sa­nego w tym tekście mezonu pi), mogącej spon­ta­nicz­nie pojawiać się i znikać w kwan­to­wej próżni. Mion lewo­skrętny, jak już wiemy, ma prawo ulec roz­pa­dowi lub znów zmienić się w mion pra­wo­skrętny, oddając natych­miast próżni to co zabrał – czyli ładunek słaby. Zasada zacho­wa­nia zostaje pod­trzy­mana, ponieważ ładunek nigdzie nie znika, a jedynie podlega ciągłemu prze­rzu­ca­niu między lewo­skręt­nymi cząst­kami i polem Higgsa.

Wpływ pola i bozonu Higgsa na oddziaływanie słabe

W tym całym rozu­mo­wa­niu ujawnia się również potęga fizyki teo­re­tycz­nej. Widząc czego brakuje, zdając się na czystą logikę naukowcy potra­fili całe dekady temu dokład­nie określić para­me­try poszu­ki­wa­nej drobiny. Skoro mion lewo­skrętny nabiera ładunku słabego, nowy bozon musiał posiadać ten właśnie ładunek. Skoro oscy­lu­jące cząstki nie zmie­niają wartości ładunku elek­trycz­nego, nowy bozon musiał być neu­tralny elek­trycz­nie. Skoro “tykanie” odwra­cało jedynie skręt­ność nie naru­sza­jąc zwrotu spinu, spin nowego bozonu musiał być równy zeru. I tak dalej. Teo­re­ty­kom pozo­sta­wało jedynie czekać na uchwy­ce­nie cząstki o pożą­da­nej cha­rak­te­ry­styce, co po latach wycze­ki­wa­nia nastą­piło w 2012 roku.

Ale on Ci nie dał masy

Od tego wszyst­kiego może się zawrócić w głowie. Wszakże masa wydaje się czymś prostym i przy­ziem­nym. A dodajmy do tego jeszcze jedną, intry­gu­jącą infor­ma­cję. Otóż wbrew medial­nym prze­ka­zom, masy Waszych ciał, Ziemi, Słońca i wszyst­kich ota­cza­ją­cych nas przed­mio­tów, nie mają niemal nic wspól­nego z dzia­ła­niem pola Higgsa. Poje­dyn­czy elektron posiada masę przez sprzę­że­nie z polem Higgsa, a jakże. Podobnie kwark, mion, taon czy neutrino – ale nie my, nie ciała o złożonej struk­tu­rze. Zaraz zapro­te­stu­je­cie, bo przecież nasza materia skon­stru­owana jest z atomów, a te zawie­rają kwarki stło­czone w pro­to­nach i neu­tro­nach oraz ota­cza­jące je chmury elek­tro­nów. To abso­lutna prawda, ale gdybyśmy mieli moż­li­wość “zważenia” każdej z tych cząstek z osobna i zsu­mo­wa­nia, oka­za­łoby się, że nie stanowią one nawet 1% masy atomu, który budują. Tak naprawdę lwia część masy wszyst­kich dużych obiektów posiada rodowód rela­ty­wi­styczny. Pochodzi z nagro­ma­dzo­nej w jądrach wszyst­kich atomów olbrzy­miej energii wiązań, gwa­ran­tu­ją­cej solid­ność protonów i neutronów.

Jeśli więc czujecie się zbyt masywni, pre­ten­sje proszę kierować do Ein­ste­ina, a nie do Higgsa.

Literatura uzupełniająca:
L. Lederman, C. Hill, Dalej niż boska cząstka, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2015;
L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka. Jeśli wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, przeł. E. Kołodziej, Warszawa 1996 (wspaniała książka, ale uczulam na nieaktualność rozważań dotyczących neutrin);
L. Randall, Pukając do nieba bram. Jak fizyka pomaga zrozumieć Wszechświat, przeł. E. Łokas, Warszawa 2013;
B. Greene, Piękno wszechświata. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej, przeł. E. Łokas, Warszawa 2001;
A. Watson, The Quantum Quark, Cambridge 2004;
K. Meissner, wykład Czy cząstka Higgsa ma rodzeństwo?, [online: www.youtube.com/watch?v=LfZIUH8KJiA].
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.