Czy stoimy u bram nowego przełomu w fizyce cząstek elementarnych?Czas czytania: 8 min

Wieści ze świata nauki to cykl tekstów skupiających się na najnowszych doniesieniach naukowo-badawczych z różnorodnych dziedzin. W tekstach tych omawiane są bieżące artykuły publikowane w prestiżowych czasopismach naukowych, a także ich znaczenie dla stanu współczesnej wiedzy. Powszechnie znana jest sentencja autorstwa Newtona, zgodnie z którą to, „co my wiemy, to tylko kropelka. Czego nie wiemy, to cały ocean.” Celem tekstów publikowanych w tym dziale jest przybliżenie czytelnikom właśnie tych kropelek.

Model standardowy i cząstki elementarne

Model standardowy to teoria fizyki cząstek elementarnych, która powstała na bazie odkryć z zakresu fizyki kwantowej i od wielu lat obowiązuje w fizyce. Opisuje on grupy cząstek niepodzielnych, nazywanych cząstkami fundamentalnymi (w których skład wchodzą bozony oraz fermiony, wśród których z kolei wyróżnia się kwarki i leptony), a także trzy oddziaływania podstawowe (oddziaływania elektromagnetyczne, oddziaływania jądrowe słabe oraz jądrowe silne). Jedną z niedoskonałości modelu standardowego jest to, że nie opisuje on czwartego oddziaływania podstawowego, czyli grawitacyjnego. Zależności pomiędzy poszczególnymi elementami modelu standardowego opisane są za pomocą relacji matematycznych¹. Model standardowy stanowi więc zbiór twierdzeń i teorii opisujących Wszechświat i elementy, z których się składa.

Ostatnią przewidywaną przez model cząstką fundamentalną był bozon Higgsa, którego istnienie miało wyjaśniać między innymi to, że istnieje masa. Empiryczne potwierdzenie obecności tej cząstki w 2013 roku było jednym z najbardziej przełomowych odkryć w fizyce XXI wieku².

Czy model standardowy rzeczywiście jest standardowy?

Współczesna fizyka cały czas się rozwija – jedni fizycy badają, skąd się bierze asymetria materii i antymaterii we Wszechświecie³, zaś inni badacze zwracają uwagę na to, że nieustannie dowiadujemy się czegoś nowego o właściwościach materii, np. poznając jej nowe stany⁴. Jedna z fundamentalnych teorii fizycznych cały czas pozostaje jednak niewzruszona, a jest nią model standardowy, który trzyma się relatywnie dobrze od ponad 40 lat. Ostatnimi czasy pojawiają się jednak odkrycia, pokazujące niezgodności pomiędzy teorią a obserwacjami, które skłaniają fizyków do ponownego przyjrzenia się modelowi standardowemu, a w niedalekiej przyszłości mogą spowodować przeformułowanie tej fundamentalnej teorii fizyki cząstek.

Jednym z takich odkryć było badanie z 2021 roku, w którym zaobserwowano, że miony poddane działaniu pola magnetycznego zachowywały się inaczej, niż przewiduje to model standardowy⁵. W kwietniu 2022 roku ogłoszono zaś, że jeden z bozonów ma zupełnie inną masę niż przewiduje to model standardowy. Odkrycie to opublikowano na łamach „Science” w artykule zatytułowanym High-precision Measurement of the W Boson Mass with the CDF II Detector [Precyzyjny pomiar masy bozonu W za pomocą detektora CDF II]⁶.

Bozon W

Wśród cząstek fundamentalnych wyróżnia się między innymi bozony pośredniczące, które pośredniczą w poszczególnych oddziaływaniach podstawowych pomiędzy określonymi cząstkami. Kiedy na przykład elektron zderza się z elektronem, czego skutkiem jest ich wzajemne odepchnięcie, w oddziaływaniu tym pośredniczy foton. Bozon W razem z bozonem Z pośredniczy w oddziaływaniach jądrowych słabych, dlatego też jest bardzo istotny między innymi w przemianach fizykochemicznych odbywających się na Słońcu oraz rozpadach promieniotwórczych.

Aby szczegółowo opisać fizykę takich przemian, bardzo ważna jest znajomość masy bozonu W. Dotychczas zakładano, że wynosi ona 80357 megaelektronowoltów (MeV). Autorzy omawianego artykułu zauważają, że nawet jeśli w dotychczasowych badaniach obliczona masa znacząco różniła się od podanej wartości, to margines błędu tych wyników był zbyt szeroki, aby którykolwiek z nich uznać za pewny⁷. W przytoczonym badaniu wykazano jednak, że masa bozonu W wynosi w rzeczywistości 80433 MeV, a zakres błędu jest tak mały (precyzja pomiaru wynosi 0,01%), że uzyskany wynik należy uznać za prawidłowy⁸. Uzyskany wynik sugeruje więc, że bozon W ma masę o 0,09% większą, niż przewidywał to dotychczasowy model standardowy. Choć wydaje się, że jest to niewielka różnica, może być bardzo istotna dla dalszego rozwoju fizyki teoretycznej oraz może zmienić postrzeganie Wszechświata.

Czy model standardowy powinien zostać zmodyfikowany?

W pierwszej części artykułu High-precision Measurement… autorzy zwracają uwagę na dotychczasowy stan wiedzy na temat fizyki cząstek, zauważając, że w modelu standardowym znajduje się sporo niewiadomych – na przykład nie wiadomo, czym dokładnie jest ciemna materia i jak właściwie działa pole Higgsa odpowiedzialne za masę⁷. Okazuje się, że świat nauki staje przed kolejną niewiadomą. Masa bozonu W, która różni się od tego, co przewiduje model standardowy, jest kolejnym wyzwaniem dla uczonych. Jak zauważa Harry Cliff z Uniwersytetu w Cambridge:

Jeżeli wyniki badań są prawidłowe i nie ma w nich przekłamań lub błędów w obliczeniach, to mamy do czynienia z naprawdę wielkim odkryciem, ponieważ oznaczałoby to, że istnieje nowy fundamentalny składnik naszego Wszechświata, którego jeszcze nie odkryliśmy⁹.

Cliff zwraca uwagę, że nie należy jeszcze ogłaszać przełomu. Jeśli bowiem chcemy mówić o podważeniu modelu standardowego – jednej z najbardziej szczegółowo opracowanych teorii fizyki – oraz poszukiwać nowych cząstek fundamentalnych, to konieczne będzie wykonanie znacznie większej liczby podobnych obserwacji i pomiarów, aby zweryfikować obecne odkrycie¹⁰. Jeśli jednak rezultaty analiz zostaną potwierdzone w kolejnych próbach, najprawdopodobniej będzie to wskazywało na potrzebę naniesienia poprawek w modelu standardowym albo nawet jego zastąpienie przez inną teorię.

Wyższa niż oczekiwana masa bozonu W jest najbardziej znaczącym odchyleniem od przewidywań modelu standardowego. Wskazuje to, że nadal nie zdajemy sobie sprawy, jak właściwie przebiegają oddziaływania słabe i jak zachowują się cząstki biorące w nich udział. Możliwe, że uda się dostosować model standardowy do nowego pomiaru, ale możliwe również, że niebawem będziemy świadkami zmiany paradygmatu w fizyce cząstek elementarnych. Jak zauważa Martijn Mulders, fizyk z CERN:

Byłoby to największe odkrycie w fizyce od czasów opracowania modelu standardowego, czyli od 60 lat¹¹.

Potwierdzenie wyników będzie jednak niezwykle trudne. Bozon W jest cząstką dość trudną do uchwycenia, bowiem bardzo szybko rozpada się na elektron i neutrino elektronowe (lub cięższy mion i neutrino mionowe), a neutrina potrafią przenikać przez materię. Choć weryfikacja otrzymanych wyników wymaga wiele czasu i analiz, to jednak nie jest wykluczone, że niebawem rzeczywiście możemy stanąć u bram nowej fizyki.

Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ikonka cyklu: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 22.05.2022

Literatura: