Cząstki elementarne. W poszukiwaniu fundamentalnej natury rzeczywistości - Gavin Hesketh

NOTA OD AUTORA I PODZIĘKOWANIA

To książka o Wszechświecie w najmniejszej skali. Kiedy spoglądamy na świat w tej właśnie skali, wszystko wydaje się stworzone z tego samego budulca, najbardziej fundamentalnych obiektów, jakie znamy: cząstek. Przystępując do pisania, chciałem dać czytelnikowi pewne wyobrażenie o tym, czym są te cząstki, jak się zachowują, skąd mogły się wziąć i dzięki czemu to wszystko wiemy. Pierwsza rzecz, którą o cząstkach trzeba wiedzieć, to fakt, że nie zachowują się one jak reszta ciał we Wszechświecie, z pewnością nie tak jak ciała, które znamy z naszych codziennych doświadczeń. To właśnie sprawia, że świat cząstek subatomowych jest tak interesujący, jednak dlatego też opisanie go stanowi nie lada wyzwanie.

Główny problem polega na tym, że najlepszym językiem do opisu świata cząstek jest matematyka. Z jednej strony więc, jeśli naprawdę chcecie zrozumieć cząstki, musicie nauczyć się ich języka, czyli poznać matematykę. Z drugiej strony, myślę, że wielkie idee i ciekawe koncepcje można oddzielić od równań matematycznych i zaprezentować w kategoriach codziennych doświadczeń. Taki przyświeca mi cel, gdy piszę tę książkę: ożywić subatomowy świat analogiami wykorzystującymi to, co znamy z naszego otoczenia. Analogie są jednak tylko metaforą, mają swoje ograniczenia, tak więc gdy któraś nie wyjdzie najlepiej, będzie to moja wina. Matematyka zwykle nie zwodzi na manowce!

Inny wybór, przed którym stanąłem w trakcie pisania tej książki, dotyczył selekcji materiału: co włączyć, a co pominąć? Fizyka cząstek rozwijała się przez ponad sto lat, a w rozwój ten zaangażowane były tysiące błyskotliwych uczonych - to mnóstwo ciekawych wątków do omówienia. Moja opowieść zawiera zatem ogólny zarys historii i opis współcześnie najbardziej fascynujących obszarów badań, ale nie stanowi wyczerpującej relacji. Pojawiają się w tej opowieści różni ludzie, ale również tu musiałem dokonywać wyboru. Tam gdzie mowa o historycznych osiągnięciach, za które już przyznano Nagrodę Nobla, podaję nazwiska badaczy kojarzonych z tymi odkryciami. Jednak w wypadku aktualnie prowadzonych badań sprawy nie są tak oczywiste. Wydaje mi się, że byłbym niesprawiedliwy, wybierając jedną lub dwie osoby związane z odkryciem bozonu Higgsa lub sformułowaniem teorii supersymetrii w znanej dziś formie. Postęp w nauce zawsze dokonywał się dzięki zbiorowemu wysiłkowi i nigdzie nie jest to bardziej prawdziwe niż w fizyce cząstek, niezależnie od tego, czy mowa o badaniach eksperymentalnych, czy rozważaniach teoretycznych. Zamiast grzęznąć w długich listach nazwisk, zdecydowałem się skupić na wielkich tematach aktualnie prowadzonych badań.

Nie jest też możliwe, aby podziękować wszystkim osobom, które były zaangażowane w powstanie tej książki. Z omówionymi dalej ideami stykałem się w mojej osobistej karierze naukowej, jakąś rolę zatem odegrał każdy, z kim pracowałem, każdy, z kim rozmawiałem o bozonie Higgsa przy kawie. Proces spisywania wszystkich tych doświadczeń na papierze to już zupełnie inna para kaloszy, dziękuję więc mojemu redaktorowi, Wayne'owi Daviesowi, za wszelkie sugestie, dziękuję również Erice, bez której wsparcia i miłości niemal na pewno nic z tego by nie wyszło.

Model Standardowy fizyki cząstek

ROZDZIAŁ 1

FUNDAMENTALNA NATURA RZECZYWISTOŚCI

Zapewne przymiotnik "piękna" nie jest pierwszym, jaki przychodzi do głowy, gdy myślimy o nauce, choćby z tego powodu, że tak trudno o obiektywne standardy w tym zakresie. Wystarczy jednak zobaczyć coś, żeby wiedzieć, iż jest piękne. Miałem siedemnaście lat, gdy po raz pierwszy dostrzegłem piękno fizyki. Stało się to w momencie, gdy zauważyłem, jak za sprawą dwóch różnych idei nagle zostaje nakreślone nieoczekiwane połączenie pomiędzy dwoma pozornie całkowicie różnymi zagadnieniami, jak pewne koncepcje nieustannie, raz za razem, powracają. I najważniejsze, dostrzegłem, jak wszystko to da się wyrazić w postaci kilku prostych, lecz potężnych równań. Kiedy bada się te zagadnienia, nie sposób oprzeć się wrażeniu, że dotykamy, choćby tylko przez krótką chwilę, głębszej prawdy o otaczającym nas świecie.

Historia rozwoju tych idei jest opowieścią o ludzkiej kreatywności i nieskrępowanej wyobraźni, przeplataną przemianami w kulturze i polityce, usianą błędami i szczęśliwymi zwrotami losu, naznaczoną ślepymi zaułkami i przełomami. Piękno nauki to jednak coś więcej niż zachwyt: pojedyncze równanie naprawdę może powiedzieć nam o Wszechświecie coś, co jest równie prawdziwe dzisiaj, jak było prawdziwe miliardy lat temu, i może nam powiedzieć, co wydarzy się w przyszłości mierzonej w miliardach lat.

Obraz wciąż nie jest kompletny i w przyszłości naukowcy będą kontynuowali dzieło objaśniania cudów otaczającego nas świata. Fizyka cząstek stanowi chyba najbardziej ekstremalną część tego zadania, jest bowiem próbą zrozumienia Wszechświata dzięki badaniu najmniejszych jego elementów - cząstek elementarnych. Najmniejszych składników materii, stanowiących podstawowy materiał budulcowy, tworzący was, mnie i cały świat. Te same cząstki składają się na Słońce, całą naszą Galaktykę i miliardy innych galaktyk. Istniały niemal przez całą historię Wszechświata.

Właśnie o tych cząstkach piszę w książce. To opowieść o tym, czym są, jak się zachowują, opowieść o możliwościach, które istnieją w świecie wokół nas. To również opowieść o tym, skąd wzięły się wszystkie te cząstki, jak wszystko się zaczęło i jaki może mieć koniec. Są to jedne z najpoważniejszych pytań, jakie można zadać, a poszukiwanie na nie odpowiedzi doprowadziło do nakreślenia obrazu Wszechświata dziwniejszego, niż mogliśmy sobie wyobrażać. To opowieść o tym, co wiemy, jak też o tym, czego jeszcze nie wiemy, i naszym dążeniu do poszerzenia wiedzy. To opowieść o kwarkach i leptonach, bozonach i symetriach, a także o największym eksperymencie w historii badań najmniejszych składników materii, jakie udało nam się do tej pory odkryć.

Eksperymenty odgrywają bezwzględnie kluczową rolę w tej opowieści. Możemy zrozumieć Wszechświat tylko dzięki dokonywaniu pomiarów jego parametrów. Eksperymenty, które opiszę, mieszczą się na samym szczycie skali przedsięwzięć - na przykład Wielki Zde­rzacz Hadronów, ogromny akcelerator cząstek o długości 27 kilometrów, w którym badane są najbardziej ekstremalne warunki, jakie kiedykolwiek zostały stworzone w laboratorium naukowym - ale są wśród nich też mniej znane, choćby olbrzymi zbiornik wypełniony płynnym detergentem, ulokowany w opuszczonej kopalni w Dakocie Południowej, mający badać wnętrze Słońca. Trwające ponad sto lat badania doprowadziły do ujawnienia całego zoo egzotycznych cząstek i sformułowania najbardziej udanej teorii naukowej, jaką kiedykolwiek opracowano: Modelu Standardowego. Opisuje on zachowanie cząstek i ich oddziaływania, a także objaśnia wszystko - od procesów formowania się atomów i reakcji syntezy we wnętrzu Słońca po sposób, w jaki cząstki te kształtują otaczający nas świat. Symbolem autentycznego sukcesu Modelu Standardowego jest to, że trafnie przewidział wynik każdego eksperymentu, jaki do tej pory byliśmy w stanie wykonać.

Co się tyczy mojej osoby, to długo po tym, gdy połknąłem bakcyla fizyki, zdecydowałem się na karierę w dziedzinie fizyki wysokich energii, w ośrodkach dysponujących najwydajniejszymi akceleratorami na świecie, gdzie zająłem się wyszukiwaniem nowych sposobów na testowanie Modelu Standardowego w coraz to bardziej ekstremalnych warunkach. Teraz, będąc wykładowcą na wydziale Eksperymentalnej Fizyki Cząstek w University College London, miałem szczęście pracować w Wielkim Zde­rzaczu Hadronów przy eksperymencie ATLAS, kiedy w 2012 roku znaleźliśmy odpowiedź na ostatnie pytanie dotyczące Modelu Standardowego. W końcu został odkryty ostatni element teorii, którego istnienie przewidziano blisko czterdzieści lat wcześniej i którego od tamtej chwili gorączkowo poszukiwano: bozon Higgsa. U zarania cząstka ta była manifestacją matematycznej sztuczki, lecz ostatecznie stała się kluczem do całej teorii - autentycznie spaja ona Model Standardowy, a jej odkrycie odsłania głębsze zasady rządzące zachowaniem Wszechświata.

Żyjemy w złotej epoce fizyki cząstek, gdyż dysponujemy największym narzędziem badawczym, dzięki któremu przesuwamy granice ludzkiej wiedzy. Najbardziej ekscytujące jest jednak to, że być może znajdujemy się u progu całkowicie nowego odkrycia, znacznie ważniejszego niż bozon Higgsa, odkrycia, które może doprowadzić do nowej rewolucji w postrzeganiu Wszechświata i naszego w nim miejsca.

Świat atomowy

Zanim zajmiemy się rewolucjonizowaniem fizyki, powinienem przedstawić głównych aktorów tego przedstawienia, podstawowe elementy budulcowe Wszechświata i siły, które decydują o ich ruchu. Opowieść zaczyna się więc od atomów.

W szkole uczymy się, że wszystko zbudowane jest z atomów, jednak jeśli się nad tym zastanowić, myśl ta potrafi wprawić człowieka w niemałe zdumienie. Cała ta oszałamiająca różnorodność materii tworzącej świat wokół nas, na którą składają się ciała stałe, takie jak ta książka, ciecze, na przykład woda, wszystkie stworzenia na Ziemi i powietrze, którym oddychamy, wszystko to zbudowane jest z atomów. Nie dostrzegamy ich tylko dlatego, że są tak małe. Weźmy dowolne, zwyczajne ciało fizyczne, choćby kartkę papieru, i zacznijmy je ciąć. Otrzymamy mniejsze skrawki papieru - długości centymetra, milimetra, ułamka milimetra. Jeśli mielibyśmy magiczny nóż, pozwalający kontynuować cięcie na jeszcze mniejsze fragmenty, doszlibyśmy w pewnym momencie do skrawka złożonego z jednej cząsteczki, a po kolejnym cięciu mielibyśmy już atomy. Atomy są malutkie - na linii o szerokości włosa zmieściłoby się ich około miliona.

Współczesne pojęcie atomu rodziło się w XIX wieku, gdy zebrano silne, przemawiające za nim dowody eksperymentalne, od ruchów Browna (widoczne pod mikroskopem drgania drobnych pyłków roślin, trącanych przez niedostrzegalne cząsteczki wody), przez zachowanie gazów, po sposoby, w jakie różne pierwiastki chemiczne się łączą, aby utworzyć nowe związki. We wszystkich tych eksperymentach atomy zdają się zachowywać jak małe kulki, co znalazło odzwierciedlenie w znaczeniu słowa "atom", pochodzącego od greckiego wyrazu oznaczającego coś niepodzielnego. Stanowi to ukłon w stronę starożytnej tradycji filozoficznej, zgodnie z którą budowa Wszechświata opiera się na podstawowych, niepodzielnych elementach. Istnieją różne rodzaje atomów i mogą one łączyć się z sobą, aby utworzyć cząsteczki, takie jak choćby cząsteczka wody, H2O, składająca się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Cząsteczki mogą się łączyć, tworząc różne substancje, na przykład wtedy, gdy cząsteczki wody zamieniają się w lód. Atomy i cząsteczki znajdują się w nieustannym ruchu i zderzają się z sobą. Postrzegamy ten ruch jako ciśnienie i temperaturę: więcej zderzeń przekłada się na większe ciśnienie, większa prędkość zderzeń oznacza wyższą temperaturę.

Jeżeli atomy zachowują się jak małe kulki, to muszą być małymi ciałami stałymi, zlepionymi z czegoś, toteż sensownie jest zapytać, czym jest to coś... w końcu chodzi o poszukiwanie fundamentalnej natury rzeczywistości! Atomy są jednak o wiele za małe, aby obserwować je bezpośrednio, toteż dopiero na początku XX wieku przeprowadzono eksperymenty, które pozwoliły dowiedzieć się o nich nieco więcej. Obecnie wiemy, że wcale nie są one niepodzielne, ale składają się z chmury elektronów krążących wokół małego, ciężkiego jądra, zbudowanego z protonów i neutronów - trochę jak planety krążące wokół Słońca w Układzie Słonecznym. Opierając się na tej analogii, możemy powiedzieć, że skoro nasz Układ Słoneczny zawiera osiem planet, to możemy porównać go do atomu z ośmioma elektronami, czyli do atomu tlenu. Jeśli powiększylibyśmy atom tlenu milion miliardów miliardów razy, jądro miałoby mniej więcej rozmiary Słońca, a reszta atomu wyglądem przypominałaby Układ Słoneczny, tylko nieco większy - najbliższe jądra elektrony znajdowałyby się odrobinę za orbitą Jowisza, natomiast najdalsze - daleko za orbitą Neptuna. Układ Słoneczny to kilka planet rozłożonych na milionach kilometrów próżni kosmicznej, podobnie atom to kilka elektronów krążących wokół położonego centralnie malutkiego jądra atomowego. Jest to jedna z najbardziej zaskakujących informacji na temat atomów: są one niemal całkowicie puste, co nie zmienia faktu, że mogą trzymać się razem i tworzyć wszystkie ciała stałe z naszego otoczenia. Jest to możliwe dzięki oddziaływaniu, jakie zachodzi pomiędzy sąsiadującymi z sobą atomami, co stanowi pierwszą wskazówkę, iż cząstki są ważne, ale tym, co naprawdę się liczy, są zachodzące między nimi oddziaływania.

Skoro już zapytaliśmy, z czego zbudowane są atomy, możemy zadać kolejne pytanie: z czego zbudowane są cząstki znajdujące się we wnętrzu atomów? Obecnie wiemy, że protony i neutrony zbudowane są z cząstek nazywanych kwarkami. Dwa rodzaje kwarków, które nazywamy kwarkami "górnym" i "dolnym", łączą się na dwa sposoby - górny, górny, dolny tworzą proton, natomiast dolny, dolny, górny tworzą neutron. Wszystko zbudowane jest z atomów, atomy zaś zbudowane są z tych trzech rodzajów cząstek: elektronów, kwarków górnych i kwarków dolnych.

Struktura materii, od atomów do cząstek

Według naszej obecnej wiedzy, kwarki te i elektrony są naprawdę elementarne: nie wydaje się, aby były zbudowane z czegoś mniejszego. Mogą być podstawowymi elementami budulcowymi Wszechświata.

Od atomów do cząstek

Cząstka elementarna to rzecz dość osobliwa. Weźmy taki elektron: nie jest to mała bryłka jakiejś substancji, ponieważ moglibyśmy wtedy zapytać, co to za substancja, a sam elektron straciłby status cząstki elementarnej, jeśli byłby zbudowany z czegoś innego. Elektron... po prostu jest. Nie wiemy tak naprawdę, jakie ma rozmiary, a w równaniach fizyki cząstek wszystkie cząstki elementarne traktowane są jak obiekty nieskończenie małe. Każda cząstka charakteryzowana jest przez inny zbiór własności, takich jak masa, ładunek elektryczny i tak dalej, ale nie ma wśród nich rozmiarów fizycznych.

Skoro są to tak dziwne obiekty, nie powinno być żadną niespodzianką, że zachowują się dziwnie: prosperują w niezwykłym świecie mechaniki kwantowej. Teoria ta była rozwijana w latach dwudziestych XX wieku i przyniosła prawdziwą rewolucję w naszym rozumieniu Wszechświata. Opisuje ona zachowanie cząstek, które mocno różni się od wszystkiego, co znamy z codziennego doświadczenia. O mechanice kwantowej, losowości i nieoznaczoności, za sprawą których cząstki tak dziwnie się zachowują, piszę w rozdziale 2.

Po części prawdziwa natura cząstek elementarnych wciąż pozostaje zagadką. Czasami zachowują się one jak małe kulki, innym razem są niczym niewyraźna chmura, jakby wokoło latała malutka, nieznośna mucha. Uwięzienie elektronu na orbicie wokół jądra atomu przypomina schwytanie takiej muchy do butelki - będzie ona miotała się od ściany do ściany naczynia, co zupełnie nie jest podobne do ruchu planet w Układzie Słonecznym, które grzecznie poruszają się po regularnych orbitach. Niepowodzenie planetarnego modelu atomu było jednak tylko pierwszą z szeregu niespodzianek związanych z cząstkami elementarnymi, które potrafią odbywać podróże w czasie w przeszłość, naginać prawa fizyki, materializować się z niebytu i przemieniać w zupełnie inne cząstki.

Podczas gdy wszystkie cząstki elementarne zachowują się dziwnie, przynajmniej część ich cech jest jednakowa i dzięki tym podobieństwom możemy ów subatomowy świat trochę uporządkować. Elektrony są przykładem cząstek, które nazywamy fermionami, na cześć Enrica Fermiego (którego uhonorowano nazwą teleskopu kosmicznego, laboratorium fizyki cząstek, pierwiastka chemicznego, kilku ulic i reaktorów jądrowych). Znamy 12 różnych fermionów, wśród których znajdują się elektron oraz kwarki górny i dolny, czyli "cząstki materii", z których zbudowane są wszelkie substancje we Wszechświecie. Podstawową własnością wszystkich fermionów jest to, że ich rozmyte chmury nie nakładają się na siebie, lecz układają się raczej jedne na drugich niczym małe plastykowe klocki - taki rozkład elektronów w atomach skutkuje tym, że pierwiastki chemiczne różnią się własnościami chemicznymi, a także przyczynia się do tego, że możliwe jest budowanie przez substancje struktur otaczającego nas świata.

Te fundamentalnie dziwne cząstki tworzą wszystkie ciała fizyczne wokół nas, lecz jednocześnie niezwykle trudno jest je zidentyfikować. Są to obiekty bezwymiarowe, lecz mimo to zajmują miejsce w przestrzeni. Zderzamy je w akceleratorach cząstek, aby badać ich zachowanie, ale im bliżej im się przyglądamy, tym dziwniejsze się wydają. Na następnych stronach omówię część tej aury osobliwości i opiszę, jakie wynikają stąd wnioski na temat natury na jej najbardziej fundamentalnym poziomie.

Siły natury

Każda cząstka jest fascynująca, lecz to siły napędzają mechanizmy świata. Są nam lepiej znane, pod wieloma względami, codziennie bowiem doświadczamy działania grawitacji. Uważamy za coś oczywistego, że wypuszczony z ręki przedmiot niechybnie spadnie. Isaac Newton zdał sobie sprawę z tego, że siła, która sprawia, iż jabłko spada z drzewa, jest tą samą, która utrzymuje Księżyc na orbicie wokół Ziemi i planety na ich torach wokół Słońca. Ta siła to grawitacja.

Inną ważną siłą, kształtującą obraz naszego świata, jest elektromagnetyzm. Zwykle mówimy albo o elektryczności, albo o magnetyzmie, ale w istocie są to dwie strony tej samej monety, dwa efekty wywoływane przez tę samą siłę. Elektryczność, która stanowi motor napędowy naszego nowoczesnego świata, jest blisko spokrewniona z magnetyzmem, który sprawia, że igła kompasu wskazuje kierunek północny. W zasadzie gdyby związek ten nie istniał, nie mielibyśmy dostępu do elektryczności: prąd elektryczny wytwarzany jest przez poruszające się magnesy i fakt ten wykorzystuje większość naszych elektrowni. Różnice dotyczą jedynie czynnika, który sprawia, że magnesy się poruszają; może to być wiatr lub woda, reaktor jądrowy, spalanie węgla mające na celu napędzanie turbiny parowej. Tak jak grawitacja utrzymuje w Układzie Słonecznym planety na orbicie wokół Słońca, siły elektromagnetyczne utrzymują elektrony na orbicie wokół jądra atomu. Bez nich nie byłoby materii.

Siły wydają się znajome, ale sposób, w jaki naprawdę działają, pozostaje dość zagadkowy. Jak to się dzieje, że grawitacja ściąga jabłka z drzew? Jak elektromagnetyzm utrzymuje elektrony w atomach? W XX wieku doszło do całkowitego przeformułowania teorii odzwierciedlających nasze pojmowanie tych sił, w wyniku czego zyskaliśmy odpowiedzi na te pytania. W 1915 roku ogólna teoria względności Einsteina przypisała grawitacji rolę czynnika zakrzywiającego przestrzeń i czas. W latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku rozwinięto nową teorię elektromagnetyzmu, zapewniającą korelację z mechaniką kwantową i obrazem świata cząstek elementarnych. Taka jest natura postępu naukowego - starsze idee nie są błędne, lecz mają ograniczenia i zostają wyparte przez pogłębione objaśnienia. Ogólna teoria względności i teoria kwantowa do dziś pozostają wielkimi teoriami fizyki, ale dostarczają dwóch całkowicie odmiennych spojrzeń na to, jak działają siły. Połączenie tych idei w jedną całość, w teorii obejmującej wszystkie siły natury, wciąż pozostaje jednym z kluczowych nierozwiązanych problemów, do którego powrócę w dalszej części książki, po omówieniu kwantowej wizji świata.

Badanie świata subatomowego

Jeśli celem fizyki cząstek byłoby dostarczenie prostego opisu otaczającego nas świata, moglibyśmy w tym miejscu zakończyć przegląd: mnóstwo można objaśnić tylko za pomocą elektronów, kwarków górnych, kwarków dolnych, elektromagnetyzmu i grawitacji. Natura ma jednak w zanadrzu znacznie więcej niespodzianek i kiedy na początku XX wieku udało nam się zajrzeć do wnętrza atomu, eksperymenty ujawniły istnienie całego subatomowego świata. Były w nim nowe kwarki. Siły, których nie doświadczamy w sposób bezpośredni. Cząstki, które, jak się zdaje, są elektronami z nadwagą. Ulotne niczym duchy neutrina. Wszystko to mogło mieć sens, pod warunkiem, że pojawi się nowy sposób myślenia o Wszechświecie. Taki klarowny obraz wyłonił się z badań dopiero na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych - znamy go pod nazwą Modelu Standardowego fizyki cząstek.

Model Standardowy przetrwał do dzisiaj dlatego, że jest naprawdę skuteczny. Ostatnim i największym poligonem doświadczalnym, gdzie testuje się jego przewidywania, jest zlokalizowany w pobliżu Genewy w Szwajcarii i należący do CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire - Europejska Organizacja Badań Jądrowych) Wielki Zde­rzacz Hadronów (LHC, Large Hadron Collider). Zasadnicze elementy konstrukcyjne LHC znajdują się w tunelu w kształcie torusa, umieszczonym na głębokości około 100 metrów pod ziemią, gdzie wewnątrz rury, w której panuje większa pustka i niższe temperatury niż w próżni kosmicznej, cząstki subatomowe przyspieszane są do prędkości stanowiącej mniej więcej 99,999999 procent prędkości światła. Cząstki te zderzane są z sobą czołowo w czterech różnych miejscach na obwodzie torusa, gdzie zainstalowano cztery różne detektory cząstek, za pomocą których realizowane są eksperymenty ATLAS, CMS, LHCb i ALICE. Kiedy dochodzi do zderzeń, a dzieje się to ponad 40 milionów razy na sekundę, temperatura gwałtownie rośnie, aby przekroczyć bilion stopni - na drobny ułamek sekundy zostają odtworzone warunki, jakie panowały we Wszechświecie zaledwie w jednej miliardowej części sekundy po Wielkim Wybuchu.

Wyobrażenie sobie, co stało się 13,8 miliarda lat temu w Wielkim Wybuchu, jest niemal niemożliwe, lecz zdajemy sobie sprawę z tego, że w tym momencie historii cały Wszechświat był ściśnięty w malutkiej, błyskawicznie rozszerzającej się przestrzeni. Cząstki były upakowane tak ciasno, że w całym Wszechświecie dochodziło do wysokoenergetycznych zderzeń. Jeśli więc zastanawiacie się, jak to było, gdy doszło do Wielkiego Wybuchu, LHC oferuje najlepsze przybliżenie, na jakie nas obecnie stać. W zderzeniach wytwarzamy nowe, egzotyczne cząstki, które istnieją tylko przez drobny ułamek sekundy, ale to właśnie one musiały wypełniać całą przestrzeń zaraz po Wielkim Wybuchu. Zrozumienie tych cząstek nie tylko prowadzi do nakreślenia obrazu bardzo młodego Wszechświata, lecz także zawiera wskazówki na temat jego ewolucji do formy, jaką obserwujemy dzisiaj.

Fakt, że możemy to zrobić, jest dla mnie czymś niesamowitym. Uruchomienie LHC i wdrożenie wszystkich eksperymentów jest ogromnym osiągnięciem technicznym. Jestem jednym z 3000 ludzi z sześciu kontynentów pracujących przy eksperymencie ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS). Porównywalna liczba naukowców zatrudniona jest przy CMS (Compact Muon Solenoid) - są to dwa największe eksperymenty. Każdy projekt angażujący tak dużo badaczy ma mocne i słabe strony (pomyślcie o liczbie spotkań, które trzeba odbyć), jednak jest to autentycznie fascynujące miejsce. Różne są historie i motywacje przybywających tu naukowców, lecz wszystkich łączy ciekawość. Ciekawość otaczającego nas świata i mechanizmów jego działania. Ciekawość zjawisk mocno wykraczających poza codzienne doświadczenie. Jest to jednak ciekawość dobrze zainwestowana: LHC jest pierwszym w dziejach instrumentem pozwalającym osiągać tak wysokie energie i jedynym miejscem na świecie, gdzie można badać, co w takich energiach się dzieje. Wszyscy pragniemy mieć swój udział w dokonywanych odkryciach, a największym do tej pory było znalezienie w 2012 roku bozonu Higgsa, ostatniego brakującego ogniwa Modelu Standardowego, o czym przekonamy się w dalszych rozdziałach książki.

Poszukiwanie

Odkrycie bozonu Higgsa istotnie zamknęło pewien rozdział w historii fizyki cząstek i obecnie piszemy nowy. W 2015 roku LHC wznowił pracę po trwającej dwa lata modernizacji, dzięki której zderza cząstki w jeszcze wyższych energiach, o kolejny krok przybliżając nas do początku Wszechświata i do odkrycia wcześniej nieznanych cząstek. Na świecie prowadzonych jest jeszcze wiele mniejszych eksperymentów, za sprawą których wprowadzane w życie są nowe idee i osiągane nowe poziomy precyzji pomiarów, co pozwala testować pomysły w sposób nieosiągalny w LHC. I wszystkie te eksperymenty są ukierunkowane na szukanie czegoś nowego. Model Standardowy może i jest bardzo udany, lecz wszyscy chcemy znaleźć punkt, w którym zawodzi.

Wiemy, że prędzej czy później musi do tego dojść, ponieważ istnieją nierozwiązane problemy - wielkie pytania, na które odpowiedzi próżno szukać w Modelu Standardowym. Teleskopy skierowane na odległe galaktyki mówią nam, że jakimś cudem Model Standardowy zgubił 95 procent tego, co się w nich znajduje. Nie mamy pojęcia, jak grawitacja wpasowuje się w obraz świata subatomowego. Albo dlaczego w Modelu Standardowym jest 12 fermionów, podczas gdy wydaje się, że do budowy otaczającego nas świata potrzeba tylko trzech. Formułowane obecnie teorie zabierają nas w dalekie podróże myślowe i nie ma jednoznacznych wskazówek, co teraz się stanie. Później omówię niektóre z tych pomysłów, wśród których znajdują się supersymetria, dodatkowe wymiary, teoria strun i grawitacja kwantowa. Jednemu z nich może uda się połączyć wszystkie wątki Modelu Standardowego w jedną "teorię wielkiej unifikacji". Więcej, może nawet rozwinie się on w pełny obraz, dający nam podręcznik użytkownika do całego Wszechświata. W prawdziwą "teorię wszystkiego".

W tej chwili jest sprawą otwartą, co przyniesie przyszłość. Możemy być bardzo blisko teorii wszystkiego albo okaże się, że natura trzyma dla nas w zanadrzu jeszcze wiele niespodzianek - jestem przekonany, że tylko dzięki eksperymentom będziemy w stanie znaleźć odpowiedź. Kolejny przełom nie nastąpi sam, musimy wziąć się do pracy i dokonać odkrycia. Znajdujemy się w wyjątkowym punkcie historii, to czas niepohamowanej eksploracji, czas nowych danych, nowych pomiarów i otwierających się nowych kierunków. Kilka następnych lat będzie miało kluczowe znaczenie: jeżeli nie dokonamy przełomu, możemy być zmuszeni do powrotu do deski kreślarskiej - nie będzie to pierwszy raz, gdy pogłębienie naszego rozumienia Wszechświata wymaga postępu technologicznego. Równie dobrze lada chwila możemy odkryć za pomocą LHC gromadę nowych cząstek, dowiedzieć się nowych rzeczy na temat neutrin w wyniku eksperymentu SuperNEMO, prowadzonego pod Alpami francuskimi albo poznać prawdziwą naturę ciemnej materii, ujawnioną przez eksperyment LZ, realizowany głęboko we wnętrzu pewnej kopalni w Dakocie Południowej w USA.

Osobiście mam nadzieję, że stanie się coś zupełnie nieoczekiwanego, coś, co będzie wymagało radykalnej zmiany w naszym myśleniu, tak jak stało się na początku XX wieku, gdy rozwijano mechanikę kwantową, albo czterdzieści lat później, gdy opracowano Model Standardowy. Zbliża się rewolucja w naszym pojmowaniu Wszechświata. Czas dołączyć do poszukiwań fundamentalnej natury rzeczywistości.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

NOTA OD AUTORA I PODZIĘKOWANIA

ROZDZIAŁ 1. FUNDAMENTALNA NATURA RZECZYWISTOŚCI

Świat atomowy

Od atomów do cząstek

Siły natury

Badanie świata subatomowego

Poszukiwanie

ROZDZIAŁ 2. WIZYTA W ZOO CZĄSTEK ELEMENTARNYCH

Fizyka rysunkowa

Rzucając kostką

W ten czy inny sposób

"Powiedziałem mu: "Jesteś szalony". Ale on szalony nie był".

Podróż w czasie i antymateria

Najbardziej precyzyjna teoria naukowa, jaką kiedykolwiek stworzono

ROZDZIAŁ 3. W GŁĄB MATERII

Fizyka przed cząstkami

Tajemnicze promienie

Chmury w pudełku

Zobaczyć cząstki

Promienie z kosmosu

"Kto to zamawiał?"

Nauka akceleratorowa

Ścieżka ośmiokrotna

Budowanie Modelu Standardowego

Wielka nauka

ROZDZIAŁ 4. NIEWYKRYWALNY KWARK

Silne kolory

Zmienianie kolorów

Latające kolory

Ucieczka w dżecie

Pytanie za milion dolarów

Życie wewnątrz protonu

Ukryta siła

ROZDZIAŁ 5. SŁABA JEST SIŁA

Demaskatorskie promieniowanie

Dlaczego oddziaływanie słabe jest słabe

Naginanie praw fizyki

Pary cząstek

Pomieszane kwarki

Anatomia stworzenia

Ukryte oddziaływania

ROZDZIAŁ 6. BOZON HIGGSA

Symetria

O cząstkach i strefach czasowych

Niedoceniana bohaterka fizyki

Nawigacja satelitarna i rzuty monetą

Algebra torów kolejowych

Nadanie problemowi wagi

Przezwojenie elektromagnetyzmu

Ostatnie prace nad Modelem Standardowym

Polowanie na Higgsa

...I odpręż się

ROZDZIAŁ 7. NAJWIĘKSZY EKSPERYMENT

Rozbijanie atomów

Chcecie więc odtworzyć warunki panujące we wczesnym Wszechświecie

Surfując przez historię

Precyzyjna maszyneria

Badanie miejsca zderzenia

Nietypowy aparat cyfrowy

Detektory z dodatkowymi korzyściami

Co można robić z najpotężniejszym akceleratorem cząstek na świecie

Polowanie na garb

Statystyka, cholerna statystyka i bozon Higgsa

ROZDZIAŁ 8. KAŻDE NEUTRINO MA SWÓJ DZIEŃ

Neutrina są wszędzie

Co wiemy o neutrinach

Znalezienie neutrin

Problemy z neutrinami

Oscylujące neutrina

Anty-antyneutrina

Cząstki prawoskrętne

Czas na neutrina

Inny rodzaj fizyki cząstek

ROZDZIAŁ 9. W CIEMNOŚĆ

Gdzie jest cała antymateria?

Model Standardowy: dlaczego?

Model Standardowy: zaplątani w pętle

Ciemna materia

Ciemna energia

Dlaczego cząstki są tak lekkie albo... dlaczego grawitacja jest tak słaba?

Czy istnieje teoria wszystkiego?

Poza Model Standardowy

ROZDZIAŁ 10. TUTAJ ZACZYNA SIĘ REWOLUCJA

Supersymetria

Monopole magnetyczne

Nowe siły, nowe cząstki

Dodatkowe wymiary

Teoria strun i fizyka cząstek bez cząstek

Najlepszy ze wszystkich możliwych światów?

Proszę obstawiać...

ROZDZIAŁ 11. W POSZUKIWANIU PIĘKNA

Polowanie na garb 2

Ukrywanie się na widoku

Zakazane pingwiny

Zwiększanie precyzji

Polowanie na ciemność

Większa łódka?

Sens tego wszystkiego

ROZDZIAŁ 12. NOWA FIZYKA

DODATEK 1. WYJAŚNIENIE ZAPISU LICZB

DODATEK 2. SYMETRIE MODELU STANDARDOWEGO

SŁOWNICZEK