Jeszcze chyba nigdy tak wielu naukowców nie pokładało tak wielkich nadziei w jednym eksperymencie - Wielkim Zderzaczu Hadronów w ośrodku badań jądrowych CERN pod Genewą. Uruchomiono go dziesięć dni temu, ale na razie przypomina to przekręcenie kluczyka w samochodzie. Zanim się rozgrzeje, ruszy i rozpędzi, minie jeszcze pół roku.
Pracuje przy nim blisko 10 tys. fizyków, techników i studentów, czyli połowa wszystkich naukowców na świecie zajmujących się tzw. wysokimi energiami. Planowano go od połowy lat 80. zeszłego wieku, budowa maszyny zajęła 14 lat, a cały eksperyment potrwa kolejne dwie dekady, a może dłużej.
Dawniej fizycy w czasie naukowej kariery przeprowadzali kilka, kilkanaście eksperymentów, dziś mogą całe życie spędzić nad jednym. Ale ten chyba wart jest życia. Od niego zależy być albo nie być obecnej teorii budowy materii zwanej Modelem Standardowym. Albo zostanie potwierdzona albo rozpadnie się jak domek z kart.
Gdy wszystko było jednością
Główną ideą tej teorii jest hipoteza unifikacji. Mówi ona, że tuż po narodzinach Wszechświata w Wielkim Wybuchu w stanie niewyobrażalnej temperatury i gęstości panowała pełna symetria, cząstki materii nie różniły się od siebie. Można było zamieniać je parami i świat się przez to nie zmieniał. Tak samo upodabniały się do siebie działające między nimi siły, co oznacza, że w rzeczywistości była jedna, uniwersalna siła.
Dziś tej symetrii już nie ma. Nie sposób wymienić elektronów na kwarki albo sił jądrowych na elektromagnetyczne, tak by nic się nie stało. Przeciwnie - atomy by się rozpadły, a świat stanął na głowie. Elementarne cząstki mają różne własności, różne masy, a oddziaływania między nimi - różną moc. I nie są to błahe różnice. Elektryczne odpychanie między dwoma elektronami jest trylion trylionów razy mocniejsze niż ich wzajemne grawitacyjne przyciąganie.
Skąd się wzięły te różnice?
W procesie stygnięcia Wszechświata pierwotna symetria była krok po kroku naruszana. Podobnie dzieje się podczas zjawisk znanych z życia codziennego. Kiedy schładzamy wodę, to poniżej pewnej temperatury traci ona część swojej przestrzennej symetrii. Zamienia się w lód. Z substancji, która wygląda tak samo z każdej strony, robi się kryształ, który ma strukturę sieci i wyróżnione osie, a więc preferuje pewne kierunki w przestrzeni.
Ma to ciekawe konsekwencje filozoficzne, bo nie sposób przewidzieć, który kierunek zostanie wyróżniony. Proces łamania symetrii daje wynik losowy. Po Wielkim Wybuchu rozmaite parametry, takie jak proporcje sił czy mas cząstek, mogły ustalić się na bardzo różne sposoby.
- Oznaczałoby to oczywiście, że prawa fizyki opisujące np. kształt sił jądrowych są przedmiotem wyboru, targu z losem - mówi prof. Andrzej Szymacha z Uniwersytetu Warszawskiego.
Prawa rządzące materią nie muszą być absolutne, a nasz świat jedyny możliwy.
- Ba, spekulacje idą tak daleko, że dopuszcza się powstawanie światów o innej wymiarowości. Zabawne jest uświadomić sobie, że np. w czasoprzestrzeni pięciowymiarowej w prawie Newtona w znanym wzorze na siłę grawitacji nie byłoby odległości w kwadracie, lecz w trzeciej potędze. A orbity nie byłyby elipsami, lecz spiralami! W rzeczywistości nie istniałyby atomy, planety, gwiazdy, galaktyki. Mielibyśmy całkiem inny wszechświat - dodaje prof. Szymacha.
Gdzie ten syrop?
W Modelu Standardowym główną rolę w łamaniu symetrii i nabieraniu mas przez cząstki odgrywa tzw. pole Higgsa. Ma ono wypełniać całą przestrzeń, czasem porównuje się je do gęstego syropu, który wskutek obniżenia się temperatury Wszechświata skroplił się w całej jego objętości niczym mgła o poranku. I od tego czasu cząstki zaczęły w nim grzęznąć.
Nie wszystkie jednakowo. Pewnym cząstkom syrop stawia większy opór, innym mniejszy, niektóre - np. fotony - w ogóle go nie zauważają. Ich obecna masa jest właśnie miarą tego oporu. Na ten pomysł wpadło w 1962 r. dwóch Belgów - Francois Englert i Robert Brout - a dwa lata potem, niezależnie od nich, Peter Higgs z Edynburga (choć niefortunnie dla belgijskich badaczy zjawisko zostało ochrzczone tylko imieniem Brytyjczyka).
Od kiedy Model Standardowy został po raz pierwszy sformułowany na początku lat 70. zeszłego wieku, święcił triumfy. Tłumaczył wszystkie zjawiska i efekty wszystkich eksperymentów, jakie obmyślano i wykonywano w laboratoriach. Dzięki niemu przewidziano istnienie wielu nieznanych cząstek materii, które potem po kolei odkrywano. Za każdym razem, kiedy teoria zdawała kolejny test, strzelały korki od szampana, kolejni laureaci odbierali Nagrody Nobla. Ostatnią zwycięską próbą było znalezienie ostatniego i najcięższego kwarka "t" (szczytowego) w 1995 r. w Fermilabie pod Chicago.
Dotychczas nie udało się tylko jednego - potwierdzić, że coś takiego jak syrop Higgsa istnieje. Nie znaleziono dotychczas ani "kropli" tego syropu, choć zgodnie z mechaniką kwantową pole Higgsa powinno być ziarniste - składać się z porcji, tj. cząstek, które byłyby jego kwantami, tak jak kwantem światła jest foton.
Źródło: Gazeta Wyborcza
