Teoria oddziaływań elektrosłabych

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.
[+]
Total
14
Shares