Wielka teoria małej unifikacji. O odziaływaniu elektrosłabym

Wielkim marzeniem i zarazem zmorą teoretyków pozostaje wykazanie elementarnej spójności czterech oddziaływań podstawowych. Jak na razie cel ten osiągnięto połowicznie, poprzez ujawnienie pokrewieństwa elektromagnetyzmu i słabej siły jądrowej.

Nie możemy być absolutnie pewni wyników tego wszystkiego, ale sam fakt, że jesteśmy zdolni w ogóle mówić o tych problemach z jakąkolwiek wiarygodnością, jest już ekscytujący.

Steven Weinberg

Różne oddziaływania

Jaki jest elektromagnetyzm każdy widzi. Całkiem dosłownie, bo przecież światło widzialne to nic innego, aniżeli wąski wycinek widma fali elektromagnetycznej. Chyba nikomu z nas nie jest też obce działanie magnesu, komunikacji radiowej czy jakiegokolwiek urządzenia elektrycznego. Większość otaczających nas zjawisk i wynalazków nie miałaby racji bytu, gdyby nie skaczące tu i ówdzie bezmasowe fotony.

Z oddziaływaniem słabym sprawy mają się zupełnie inaczej. Kształtuje ono rzeczywistość u samych podstaw, zakulisowo, do tego stopnia, że wielu ludzi nawet nie zdaje sobie sprawy z jego istnienia. A jednak mówimy o sile pośredniczącej w licznych procesach rozpadów jądrowych oraz przemian cząstek, bez których wszechświat z całą pewnością nie funkcjonowałby tak jak funkcjonuje. Za jego sprawą mamy do czynienia z morderczą promieniotwórczością, ale i z reakcjami beta (β), koniecznymi choćby do rozgrzania wnętrza gwiazdy. Tak więc, w pewnym sensie, swoją wakacyjną opaleniznę zawdzięczacie również słabej sile jądrowej.

Możemy na chwilę zostać przy rozpadach beta, gdyż to właśnie ich przebieg pozwolił Enrico Fermiemu na sformułowanie pierwszego opisu oddziaływania słabego. Było to prawie sto lat temu, kiedy mądre głowy zastanawiały się, w jaki sposób swobodny neutron potrafi transformować w proton, z wyzwoleniem elektronu i maleńkiej, neutralnej elektrycznie cząstki (nazwanej później neutrinem). Fermi jako pierwszy założył istnienie nowego oddziaływania, które – jak przystało na porządne oddziaływanie fizyczne – mogłoby dysponować własnym polem, ładunkiem oraz nośnikami. Charakterystyczne rozpady byłyby w tym układzie wynikiem interakcji cząstek materii właśnie z tym nieznanym oddziaływaniem. Tak jak cząstki o ładunku elektrycznym reagują na obecność pola elektromagnetycznego, tak drobiny obdarzone ładunkiem słabym odpowiadają na kontakt z tajemniczym oddziaływaniem jądrowym.

Rozpad beta minus z udziałem oddziaływania słabego
Schemat przemiany β−, w ramach którego neutron konwertuje w proton, wyrzucając po drodze elektron i antyneutrino. Enrico Fermi zasugerował, że istnieje jakieś pole i oddziaływanie, którego obecność umożliwia, a nawet nakazuje taki rozpad. Obecnie wiemy, że w procesie pośredniczy bozon W. Pojawia się on tylko na ułamek sekundy (w charakterze cząstki wirtualnej) i rozpada się na elektron oraz antyneutrino.

Wymażmy jedną cechę

Niedługo później amerykański fizyk, Julian Schwinger, uzupełnił pomysł swojego sławnego kolegi celnym spostrzeżeniem, dotyczącym właściwości nośników hipotetycznej siły. Znając przebieg rozpadów beta, Schwinger dedukował, że oddziaływanie musi być słabe (stąd nazwa) i ograniczone pod względem zasięgu, zaś jego nośniki nadzwyczajnie masywne, niestabilne i ślamazarne.

Prawdopodobnie to również w głowie Schwingera po raz pierwszy zaświtała myśl, że oddziaływanie Fermiego może mieć coś wspólnego z elektromagnetyzmem. (Co jak co, ale na temat tego ostatniego Schwinger wiedział niemal wszystko. Własnymi metodami i niezależnie od Richarda Feynmana rozwijał on elektrodynamikę kwantową QED).

Anihilacja kwarków
Z laickiego punktu widzenia elektromagnetyzm i oddziaływanie słabe zdają się nie posiadać żadnych wspólnych punktów. Pewną wskazówkę mogą stanowić niektóre procesy rozpadów, jak przemiany mezonów π+ oraz π0. Szczegóły nie są tutaj istotne, warto jednak zauważyć, że o ile jedna z cząstek ginie z wyzwoleniem fotonów (oznaczane γ), jej krewniaczka przechodzi przemianę za pośrednictwem bozonu W+. Mamy więc do czynienia z przekształceniami dwóch podobnych cząstek, o losach których decydują dwa (pozornie) różne oddziaływania. Różnica jest taka, że bozony W w ułamku sekundy ulegają rozpadowi (tutaj zostawiając po sobie antymion i neutrino mionowe), podczas gdy fotony pozostają stabilne (choć mają szansę na wykreowanie pary elektron-pozyton).

Pomysł skojarzenia dwóch tak różnych fenomenów może wydać się nam cokolwiek zdumiewający. Pomyślmy o tym przez moment. Z jednej strony mamy do czynienia z elektromagnetyzmem, działającym nawet na dystansach kosmicznych (o czym świadczą choćby kwazary mrugające do nas z odległości miliardów lat świetlnych), korzystającym z pozbawionych masy i pędzących zawsze z najwyższą możliwą prędkością fotonów. Z drugiej strony dostajemy oddziaływanie słabe, przenoszone z pomocą cząstek ociężałych i nietrwałych, uwidaczniające się jedynie w skali mniejszej od jądra atomu.

Trudno o mniej prawdopodobny mariaż!

Schwinger, doskonale to wszystko rozumiał, ale – może dla zabawy, może dla przekory – zadał dodatkowe pytanie. A co, gdybyśmy usunęli z naszych rozważań masę? Tak po prostu, wymazali tę jedną cechę. Czy cząstka oddziaływania słabego z masą spoczynkową równą zeru, nadal różniłaby się od fotonu? Fizyk sam przyznał po latach, że był to strzał oparty bardziej o intuicję i “numerologię” niż ugruntowane przesłanki. Nic dziwnego, że początkowo pomysł nie zrobił na nikim większego wrażenia.

Bozon W i foton

W końcu masa jest przyrodzoną cechą cząstki, której nie można ot tak po prostu sobie włączyć albo wyłączyć. Prawda?

Specjalne symetrie

Tę dziwaczną myśl przejął od Schwingera jego doktorant Sheldon Glashow. Młody badacz pracował nad własną wersją opisu oddziaływania słabego, sięgając do matematycznej skrzynki z narzędziami otwartej nieco wcześniej przez jego kolegów po fachu, Chena Ninga Yanga i Roberta Millsa z Uniwersytetu w Chicago[1]. Oczywiście nie będziemy tu napoczynać kolejnego dorodnego wątku teorii cechowania Yanga-Millsa. Ograniczmy się więc do stwierdzenia, że ci dwaj uczeni traktowali oddziaływania fizyczne jako wynik relacji materii z wszechobecnymi polami kwantowymi, zachowującymi restrykcyjne i skomplikowane zasady symetrii. Początkowo postawili sobie za cel zrozumienie podstaw oddziaływania silnego (zlepiającego kwarki wewnątrz protonów i neutronów), ale szybko zrozumieli, że nabierająca kształtów koncepcja jest dostatecznie uniwersalna, aby mogła rzucić nowe światło również na pozostałe siły przyrody.

Dokładnie tego potrzebował Glashow. Wprowadzając do swoich rozważań zaawansowane grupy symetrii, fizyk musiał jednak uwzględnić wypływające z nich konsekwencje. Po pierwsze, w świetle ukutych równań nośniki słabej siły jądrowej powinny występować w trzech wariantach. I rzeczywiście, wiemy obecnie o istnieniu bozonu W+ (wuon plus), jego antycząstki W(wuon minus) oraz neutralnego elektrycznie bozonu Z0 (zeton, nie mylić z żetonem). Po drugie, naga teoria Yanga-Millsa w ogóle nie uwzględniała takiej drobnostki, jak masa bozonów. W idealnym świecie wszystkie cząstki pośredniczące powinny śmigać w przestrzeni bez ograniczeń. W rewelacyjny sposób odpowiadało to właściwościom kwantów pola elektromagnetycznego (fotonów), jak i nośników oddziaływania silnego (gluonów), a nawet hipotetycznych grawitonów – ale już nie charakterystyce wuonów i zetonów. Te ostatnie, jak zdążyliśmy się przekonać, nie tylko masę posiadają, ale pozostają wręcz chorobliwie otyłe.

Irytująca rozbieżność między teorią i praktyką, zmuszała Glashowa do doraźnego i niezbyt eleganckiego tuszowania problemu, polegającego na “ręcznym” dopychaniu masy do równań. Było to jednak zamiatanie pod dywan głównego pytania. A brzmiało ono w sposób następujący: czy masa jest aby na pewno trwałą częścią tożsamości cząstki elementarnej, czy może tylko zewnętrznym dodatkiem? Efektem działania na cząstkę jakiegoś spowalniającego mechanizmu?

Znów ten Higgs, znów ta masa

Przedefiniowanie pojęcia masy było krokiem ryzykownym, ale nie brakowało fizyków zdecydowanych do jego postawienia. Temat niezależnie od siebie podjął przynajmniej tuzin uczonych, na czele z Robertem Broutem, François Englertem i Peterem Higgsem (który z jakiegoś powodu stał się twarzą nowatorskiej koncepcji). Wszyscy oni uważali masę bozonów W i Z za coś nabytego, za ciężki zimowy kożuch, ukrywający prawdziwą postać cząstki.

Pole Higgsa nadaje cząstkom masę

W tym miejscu pora na drobną dygresję. Co właściwie zmienia masa obiektu lub jej brak? Jeśli chcecie odpowiedzieć masa wpływa na ruch – to oczywiście nie będziecie dalecy od prawdy. Z zasady łatwiej rozpędzić ciało o mniejszej masie od tego bardziej masywnego. Z kolei cząstka o masie równej zeru – jak foton i gluon – nie tylko może, ale wręcz musi nieustannie gnać z prędkością światła.

Żeby dodatkowo wszystko pogmatwać, dodajmy do tego nauki Alberta Einsteina. Kojarzycie zapewne, że zgodnie ze szczególną teorią względności czas i przestrzeń pozostają wielkościami względnymi, uzależnionymi od ruchu ciała względem obserwatora. Osiągnięcie pełnej prędkości światła przynosi wyjątkowo ekscytujące efekty, ponieważ “wewnętrzny zegar” obiektu zamiera (dylatacja), a jego rozmiary ulegają kompletnemu sprasowaniu (kontrakcja). Oznacza to, że masa wpływa na ruch cząstki, a ten pewnym sensie zmienia jej geometrię, a co za tym idzie, niektóre parametry fizyczne.

Co interesujące, chociaż nie możemy po prostu wyłączyć masy żadnego ciała, to jednak potrafimy takie warunki zasymulować. Jak? Używając olbrzymiego akceleratora i dając masywnej cząstce takiego kopa, aby zbliżyła się do 99,99999999% prędkości światła. Rzecz jasna, nigdy nie osiągniemy stu procent, ale taka wartość wystarczy, aby bardzo poważnie “spłaszczyć” cząstkę i wydobyć z niej unikatowe właściwości. Stephen Hawking użył kiedyś porównania do kulki skaczącej po kole do ruletki. Gdy energia jest wysoka, kulka toczy się po obracającym kole, jednak kiedy koło zwolni, obiekt wpadnie do jednej z 37 przegródek. W interesującym nas przypadku przegródek jest tylko kilka, a rolę kulki odgrywają nośniki oddziaływań.

Teoria Weinberga-Salama

Nowy mechanizm nabywania masy miał ogólny charakter, ale błyskawicznie został podchwyconych przez dwóch fizyków do rozwiązania konkretnych bolączek oddziaływania słabego. Pierwszym był wykładowca Uniwersytetu Harvarda Steven Weinberg, drugim pochodzący z Pakistanu profesor Imperial College London, Abdus Salam. Pod koniec lat 60. dwaj nieznający się uczeni, pracując na różnych kontynentach, wskrzesili teorię pokrewieństwa oddziaływania elektromagnetycznego i słabego. W swoich publikacjach dowiedli, że wyłączenie masy ujawnia cudowną symetrię pomiędzy bozonami W+, W, Z0 oraz fotonami[2], należącymi do jednej wielkiej, może odrobinę osobliwej familii.

Rodzina bozonów

Weinberg i Salam, jako wytrawni teoretycy wyznaczyli również przypuszczalne masy (wciąż niezarejestrowanych) wuonów i zetonów. Szacowali, że cząstki W+ oraz W są równe i dysponują masą w okolicach 80 GeV, natomiast Z0 powinien być nieznacznie “cięższy”. Mówimy o wartościach rzędu 85-95 większych od masy protonu – naprawdę solidnych, jak na standardy cząstek elementarnych. Obiecująca koncepcja nabrała ostatecznego matematycznego kształtu w roku 1971, kiedy Holendrzy – Gerard ‘t Hooft i Martinus Veltman – usunęli z niej wszelkie nieskończoności, dokonując upragnionej renormalizacji.

Sheldon Glashow i Steven Weinberg w 1979 roku. Wraz z Abdusem Salamem dali podwaliny pod teorię elektrosłabą oraz model standardowy.

O wartości przedstawionego modelu najlepiej świadczy fakt, że badania nad nim przyniosły Nagrody Nobla aż siedmiu naukowcom. Glashow, Salam i Weinberg uścisnęli dłoń króla Szwecji w 1979 roku – co ciekawe, jeszcze przed bezpośrednią detekcją wuonów i zetonów (pomyślcie jak wielkie było przekonanie o słuszności teorii). Eksperymentalna weryfikacja nastąpiła cztery lata później w CERN, za co laury otrzymali Carlo Rubbia i Simon van der Meer. Z kolei Gerard ‘t Hooft i Martinus Veltman musieli poczekać dłużej, ale i oni odwiedzili Sztokholm w roku 1999.

Unifikacja mała, duża i największa

Tak narodziła się pierwsza funkcjonalna teoria oddziaływań elektrosłabych, czasem nazywana również teorią małej unifikacji. Małej, ale przełomowej, bo choć połączyła ona “tylko” elektromagnetyzm i oddziaływanie słabe, wzmocniła w fizykach przekonanie, że wszystkie siły przyrody wyrastają ze wspólnego korzenia.

Nie zdążył opaść kurz po małej unifikacji, a rozochoceni badacze zaczęli eksperymentować z kolejnymi, jeszcze bardziej wymyślnymi grupami symetrii. Stało się jasne, że skoro można wykazać podobieństwo pomiędzy fotonami i bozonami oddziaływania słabego, to analogicznie musi istnieć sposób na włączenie do modelu również gluonów i oddziaływania silnego. Tak powstałaby teoria wielkiej unifikacji (GUT, Grand Unified Theory).

Obok, na osobnym torze nieustannie toczą się wytężone prace na rzecz jeszcze szerszego uogólnienia fizyki i włączenia do tego wszystkiego również grawitacji. Starania te doprowadziły wykiełkowania barwnych, niezwykle śmiałych koncepcji, jak teoria strun czy pętlowa grawitacja kwantowa.

Unifikacja oddziaływań podstawowych
Zadaniem fizyki teoretycznej jest znalezienie punktów wspólnych dla czterech oddziaływań podstawowych: grawitacji, silnej i słabej siły jądrowej oraz elektromagnetyzmu.

Oto interesująca nas idea. Wszechświat tuż po swoich narodzinach był gorący, gęsty i jednolity. Niewielką przestrzeń wypełniała zupa bezimiennych cząstek dyrygowanych przez jedną supersiłę. Jednak wystarczył niemierzalnie krótki ułamek sekundy, aby tę doskonałą symetrię oszpeciły pęknięcia. Najpierw wyodrębniła się grawitacja, zaraz potem oddziaływanie silne i wreszcie na końcu nastąpił rozwód oddziaływania słabego i elektromagnetyzmu. Mała unifikacja uprawdopodobniła ten scenariusz i dała uczonym nadzieję, że dzięki matematyce oraz akceleratorom możemy lokalnie przywrócić zgubioną symetrię.

Po co? Żeby sięgnąć istoty fizyki. Żeby zbliżyć się do teorii wszystkiego. Żeby odkryć prawdziwe reguły gry. Spuścizna Glashowa, Salama i Weinberga przekonuje nas, że obrana uliczka nie może być ślepa.

Literatura uzupełniająca:
F. Wilczek, Piękne pytanie. Odkrywanie głębokiej struktury świata, przeł. B. Bieniok, Warszawa 2016;
J. Baggott, Masa. Od greckich atomów do pól kwantowych, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2017;
J. Baggott, Przestrzeń kwantowa. Pętlowa grawitacja kwantowa i poszukiwanie struktury przestrzeni, czasu i wszechświata, przeł. B. Bieniok, Warszawa 2020;
S. Hawking, Krótka historia czasu, przeł. P. Amsterdamski, Warszawa 1990;
S. Weinberg, Sen o teorii ostatecznej, przeł. P. Amsterdamski, Warszawa 1997;
B. Greene, Piękno wszechświata. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej, przeł. E. Łokas, Warszawa 2018.
[+]
5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o misji Juno Po kiego grzyba wracać na Księżyc? Jak światło może rozproszyć światło?