Oddziaływania elementarne i LHC
Zygmunt AJDUK, Stefan POKORSKI, Krzysztof TURZYC
SKI
Badanie struktury materii i rzÄ…dzÄ…cych niÄ… praw w polu grawitacyjnym, ale energia ta nie zamienia siÄ™
podstawowych należało zawsze do głównych zadań w energię kinetyczną (wahadło nie spada), gdyż siła
fizyki. U podstaw wszystkich znanych dotychczas przyciągania grawitacyjnego jest równoważona przez
właściwości otaczającej nas materii ziemskiej leżą cztery napięcie nici. Dopiero wychylenie wahadła ze stanu
typy oddziaływań: grawitacyjne, elektromagnetyczne, podstawowego, czyli położenia równowagi, powoduje
silne i słabe. Wiemy obecnie, że podstawowymi jego ruch (drgania), o którego okresie decyduje różnica
składnikami materii są kwarki i leptony. Oddziaływania energii potencjalnych wahadła wychylonego i wahadła
elektromagnetyczne są odpowiedzialne za budowę w stanie podstawowym. Także w fizyce oddziaływań
atomów i oddziaływania między nimi  od przemian elementarnych typowym problemem dynamicznym jest
chemicznych w komórkach żywych organizmów badanie ruchu (drgań) układu fizycznego wokół stanu
do oddziaływań płyt tektonicznych. Cząstki oddziałują próżni, tj. badanie stanów wzbudzonych niektórych
elektromagnetycznie dzięki wymianie fotonów. pól. Wyjątkiem są oddziaływania grawitacyjne,
Oddziaływania silne, przenoszone przez gluony, są które decydują o ewolucji Wszechświata. Cała
z kolei odpowiedzialne za wiązanie się kwarków energia zawarta we Wszechświecie wpływa na jego
w bariony, czyli m.in. protony i neutrony, a tych z kolei ewolucję, w szczególności, bezwzględna energia stanu
w jądra atomowe. Oddziaływania słabe przejawiają podstawowego układu pól (energia próżni) musi być
się m.in. w jądrowym rozpadzie beta pierwiastków uwzględniona w bilansie energii Wszechświata.
promieniotwórczych oraz rozpadach leptonów,
W fizyce oddziaływań elektrosłabych energia
+ -
a przenoszÄ… je czÄ…stki W , W i Z0.
potencjalna pól w stanie próżni nie jest równa zeru.
Model Standardowy oddziaływań elementarnych jest W Modelu Standardowym jedno z pól oddziałujących
kwantową teorią pola i składa się z chromodynamiki słabo, pole Higgsa, ma w próżni różną od zera
kwantowej, czyli teorii oddziaływań silnych, energię potencjalną, co oznacza, że próżnia nie jest
oraz ze zunifikowanej teorii oddziaływań pusta. Można ją sobie wyobrażać jako zbiornik
elektromagnetycznych i słabych (w skrócie, nieskończonej liczby cząstek o masach i pędach równych
+ -
elektrosłabych). W kwantowej teorii pola każda zeru, które, oddziałując z cząstkami W , W i Z0
czÄ…stka jest kwantem pewnego pola fizycznego. oraz z kwarkami i leptonami, spowalniajÄ… ich ruch,
Kwantowa teoria pola nie tylko jest więc językiem sprawiając, że cząstki te zachowują się jak cząstki
matematycznego opisu oddziaływań elementarnych, masywne. Konsekwencją takich właściwości próżni jest
ale proponuje pewien obraz fizyczny struktury materii istnienie cząstki o spinie 0, zwanej cząstką Higgsa, która
na bardzo małych odległościach, w którym znika podział pozostaje jedyną nieodkrytą jeszcze doświadczalnie
na cząstki i pola przenoszące oddziaływania między cząstką przewidywaną przez Model Standardowy.
cząstkami. Podobnie jak foton, który jest kwantem Teoria opisuje z bardzo dużą dokładnością wszystkie
pola elektromagnetycznego, elektron jest kwantem badane doświadczalnie procesy elementarne, w których
pola elektronowego, kwark  pola kwarkowego itd. energie oddziałujących cząstek nie przekraczają 1011
Oddziaływania między cząstkami są oddziaływaniami elektronowoltów i jest obecnie pod tym względem
rozchodzących się w czasoprzestrzeni pól, których te najdoskonalszą teorią fizyczną.
czÄ…stki sÄ… kwantami.
1 elektronowolt (eV) to energia, o jaką zmienia się całkowita energia
cząstki o ładunku równym ładunkowi elektronu przy przejściu przez
Każdy stabilny układ fizyczny ma swój stan
różnicę potencjałów elektrostatycznych 1 wolta. Przykładowo, energia,
podstawowy będący stanem o najniższej energii. jaką trzeba dostarczyć, by zjonizować atom wodoru, wynosi 13,6 eV.
Korzystając ze wzoru E = mc2, można także wyrażać masę cząstek
W fizyce oddziaływań elementarnych zwany jest
w eV/c2, np. masa elektronu to 511000 eV/c2.
on próżnią. Jest to taki stan układu pól, w którym
na jednostkę objętości przypada najmniejsza ilość Pomimo odniesienia spektakularnego sukcesu Model
energii. Często w stanie próżni energia kinetyczna Standardowy pozostawia bez odpowiedzi wiele pytań.
i potencjalna wszystkich pól jest równa zeru, Po pierwsze, nie wyjaśnia, dlaczego mierzone wartości
Ä…
ale niekoniecznie musi tak być. W niektórych sytuacjach masy bozonów W i Z0 są takie, a nie inne, gdyż
spotykanych w fizyce energia kinetyczna wszystkich skala masowa jest wolnym parametrem tej teorii.
pól w stanie próżni jest równa zeru, ale niektóre Po drugie, dość tajemnicze wydaje się istnienie trzech
pola mają niezerową energię potencjalną. Nie jest rodzin fermionów (zarówno kwarków, jak i leptonów),
to zaskakujące, gdyż prostych przykładów stanu różniących się tylko masą, lecz identycznych z punktu
podstawowego o niezerowej energii potencjalnej widzenia oddziaływań. Po trzecie, z konstrukcji Modelu
dostarcza nawet powszechnie znana fizyka. Stanem Standardowego nie wynika, w jakim kierunku należy
podstawowym wahadła zawieszonego na nici w polu dalej uogólniać tę teorię, aby stworzyć wspólny opis
ziemskiego przyciągania grawitacyjnego jest jego oddziaływań silnych i elektrosłabych lub, bardziej
położenie równowagi (wahadło w spoczynku). W tym ambitnie, by podać jednolity opis wszystkich czterech
stanie mamy różną od zera energię potencjalną wahadła znanych oddziaływań. Zasadniczą trudność teoretyczną
1
przy próbach takiego uogólnienia stanowi ogromna Próby rozwiązania problemu hierarchii skal stymulowały
rozpiętość (hierarchia) między masami bozonów badania teoretyczne przez ostatnich kilkanaście
Ä…
W i Z0 a następną znaną skalą masy wyznaczoną lat. Problem ten wiąże się bowiem z problemem
przez oddziaływania grawitacyjne. Jest nią masa wyznaczenia skali elektrosłabej odpowiadającej masom
Ä…
Plancka,
cząstek W i Z0 z bardziej podstawowych założeń,
a więc z pełniejszym zrozumieniem mechanizmu
MP = hc/GN <" 1027 eV/c2.
Å»
decydującego o szczególnych, opisanych wcześniej,
właściwościach stanu próżni oddziaływań elektrosłabych
GN H" 6,7 · 10-11 m3 kg-1 s-2 jest staÅ‚Ä… Newtona, czyli staÅ‚Ä… przyrody
występującą w prawie powszechnego ciążenia wyrażającym siłę F
(fizycy nazywajÄ… ten mechanizm spontanicznym
oddziaływań grawitacyjnych między dwoma ciałami o masach m i M
naruszeniem symetrii). Najbardziej konkretnymi
GN Mm
znajdujących się w odległości r od siebie: FN = . Stała
r2
propozycjami teoretycznymi uogólniającymi Model
Plancka h H" 1,1 · 10-34 J s pojawia siÄ™ w opisie zjawisk kwantowych.
Å»
Standardowy sÄ…:
MP = hc/GN jest kombinacją stałych przyrody, której jednostką
Å»
jest kilogram, czyli jednostka masy.
1) dodatkowa symetria przyrody, zwana supersymetriÄ…,
Biorąc pod uwagę naturę występujących w tym przyporządkowująca każdej znanej cząstce
wzorze współczynników, można oczekiwać, że przy elementarnej partnera o identycznych właściwościach
energiach EP = MP c2 <" 1027 eV ujawni siÄ™ kwantowa
z wyjątkiem spinu  partnerami kwarków i leptonów,
natura oddziaływań grawitacyjnych i siła tych
które mają spin 1/2, byłyby więc w tej teorii cząstki
oddziaływań będzie porównywalna z siłą pozostałych
bezspinowe, natomiast partnerami kwantów pola
oddziaływań elementarnych, podobnie jak przy
o spinie 1 inne czÄ…stki o spinie 1/2; supersymetria nie
energiach E H" MW ą c2 oddziaływania słabe
byłaby jednak symetrią dokładną  cząstki będące
,Z0
dorównują siłą oddziaływaniom elektromagnetycznym.
partnerami znanych cząstek powinny mieć masy
Hierarchia mas MP /MW Ä… H" 1016 jest zaskakujÄ…ca
,Z0 około 1012 eV/c2; byłaby to właśnie wspomniana
w świetle dotychczasowych odkryć. Przy przejściu od
wyżej nowa skala masowa rozwiązująca problem
fizyki atomowej poprzez fizykę jądrową do oddziaływań
hierarchii;
elektrosłabych pojawiają się nowe, coraz większe
skale fizyczne, ale następuje to w sposób stopniowy, 2) co najmniej jeden dodatkowy wymiar przestrzenny
a nie hierarchiczny, tzn. skale te nie różnią się o tyle zawinięty w okrąg o bardzo małym promieniu R
rzędów wielkości. Spodziewamy się więc istnienia  wtedy skala oddziaływań elektrosłabych byłaby
głębszej teorii, która rozwiąże problem hierarchii wyznaczona przez skalę Plancka i promień R;
skal i zarazem udzieli odpowiedzi na postawione
3) dekonstrukcja wymiarów, czyli istnienie dodatkowych
wyżej pytania. Teoria taka przewidywać będzie
symetrii niejako imitujących oddziaływania w modelu
istnienie nowych cząstek i nowych oddziaływań
z dodatkowymi wymiarami przestrzennymi  takie
na odległościach mniejszych niż 10-18 m. Zatem
symetrie musiałyby być spontanicznie naruszone,
w teorii takiej występować będą skale masy większe
a skalę oddziaływań elektrosłabych można by
od 1011 eV/c2. Nowe czÄ…stki o charakterystycznej skali
wyznaczyć jako funkcję skali spontanicznego
masowej 1012 1013 eV/c2 będą mogły być odkryte
w akceleratorze LHC budowanym obecnie w CERN-ie naruszenia tych wyższych symetrii.
pod Genewą (patrz ostatnia strona okładki). Istnienie
Odkrycie cząstki Higgsa w LHC będzie nie tylko
takiej skali fizycznej, nieco tylko wyższej od skali
jeszcze jednym potwierdzeniem poprawności Modelu
elektrosłabej, pozwoliłoby uniknąć problemu hierarchii
Standardowego, ale także pomostem do bardziej
i dlatego jest bardzo prawdopodobne. Warto jednak
fundamentalnej teorii. Właściwości cząstki Higgsa (lub
pamiętać, że w przyrodzie może istnieć nie jedna,
jej brak), jej masa i charakter oddziaływań z kwarkami
lecz kilka nowych skal fizycznych niższych od skali
i leptonami, będą podstawowymi wskazówkami co
Plancka, których uwzględnienie będzie konieczne
do wyboru jednej z powyższych koncepcji teoretycznych.
przy budowaniu głębszej teorii. Niewykluczone, że
Np. teorie supersymetryczne przewidujÄ… istnienie lekkiej
jedna z tych skal została niedawno odkryta dzięki
cząstki Higgsa, niewiele cięższej od cząstki Z0, podczas
doświadczalnemu stwierdzeniu, że neutrina (oznaczane
gdy z modeli opartych na istnieniu dodatkowych
przez fizyków jako ½) majÄ… bardzo maÅ‚e masy m½,
wymiarów wynika, że cząstka Higgsa jest kilkakrotnie
których wielkość można elegancko wyjaśnić, zakładając,
cięższa od cząstki Z0. Ale nie tylko własności cząstki
iż są one wynikiem oddziaływań neutrin z bardzo
ciężkimi nowymi cząstkami N, zwanymi ciężkimi Higgsa pomogą wybrać spomiędzy różnych koncepcji
partnerami neutrin, o masie MN <" 1023 eV/c2. teoretycznych tę poprawną. Choć wszystkie one opierają

Masy neutrin m½ 1 eV sÄ… wówczas w naturalny siÄ™ na istnieniu nowej skali, a zatem przewidujÄ… istnienie
2
sposób rzÄ™du m½ <" MW,Z/MN. Mechanizm taki nowych czÄ…stek o masach okoÅ‚o 1012 eV/c2, to ich
nazywa się mechanizmem huśtawki. Gdyby natomiast przewidywania dotyczące rodzaju i właściwości tych
zaobserwowano rozpad protonu, oznaczałoby to cząstek są zupełnie różne. Przewidywania te będzie
odkrycie skali wielkiej unifikacji oddziaływań silnych można sprawdzić w doświadczeniach, które będą
i elektrosłabych.
przeprowadzane w LHC.
2