OFICJALNA WIEDZA NAUKOWA – usystematyzowany zbiór informacji z różnych stron internetowych o charakterze informacyjnym:
FERMIONY – elementarne składniki materii (cząstki materii)
Według Modelu Standardowego mamy dwa rodzaje elementarnych składników materii (fermionów): leptony i kwarki. Nie wiemy, czy cząstki te mają strukturę wewnętrzną i nie znamy możliwości ich podziału na części składowe.
LEPTONY
Leptony nie czują oddziaływań silnych i można je obserwować jako pojedyncze cząstki. Istnieje 6 rodzajów leptonów: elektron, mion, taon, neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino taonowe. Ostatnią z tych cząstek – neutrino taonowe przewidziane teoretycznie dużo wcześniej, odkryto dopiero w 2000 roku. Leptony mogą istnieć bez towarzystwa innych cząstek. Elektron, mion i taon mają takie same ładunki ujemne (jest to ładunek elementarny). Mion ma masę 200 razy większą od elektronu. Taon ma masę ponad 3000 razy większą od masy elektronu.
Neutrina
Neutrina nie mają ładunku i przez bardzo długi czas sądzono, że nie mają masy spoczynkowej. Ostatnie badania udowodniły, że jednak posiadają bardzo małą masę, około milion razy mniejszą od masy elektronu (szacuje się ją w zakresie od 0,7×10-37kg do 5,3×10-37kg). Neutrina są produkowane w różnych rozpadach, na przykład w rozpadzie neutronu na proton, elektron i antyneutrino lub w reakcji termojądrowej zachodzącej w jadrach gwiazd. Właśnie dokładna obserwacja rozpadów radioaktywnych doprowadziła do powstania hipotezy istnienia neutrin. Poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Są to cząstki bardzo przenikliwe, przez Ziemię przechodzą jak przez masło, bez zderzenia i oddziaływania. Z każdego strumienia zawierającego 1012 neutrin przechodzących przez Ziemię tylko jedno zostaje pochłonięte, reszta biegnie dalej. Oszacowano, że w ciągu sekundy przez każdy centymetr kwadratowy naszego ciała przechodzi sześćdziesiąt miliardów neutrin!!! Najprawdopodobniej we Wszechświecie jest ich bardzo dużo ale nie umiemy oszacować ich liczby ani oszacować ich łącznej masy. Ponieważ neutrino są obarczone masą, to „oscylują”, czyli w locie zmieniają się w inną odmianę neutrin, przykładowo neutrina elektronowe mogą zamieniać się na minowe lub taonowe i odwrotnie.
KWARKI
Istnieje 6 rodzajów kwarków (czasami mówi się o sześciu różnych zapachach kwarków): górny (u=up), dolny (d=down), powabny (c=charm), dziwny (s=strange), szczytowy zwany też prawdziwy (t=top) i denny zwany też piękny (b=bottom).
Fizycy łączą je w pary: górny/dolny, powabny/dziwny, szczytowy/denny. Pierwsza para jest najlżejsza, a trzecia najcięższa. Kwark górny ma masę 4 razy większą od elektronu, dolny 10 razy większą, powabny 1500 razy większą, dziwny 190 razy, prawdziwy (szczytowy) 340 tysięcy razy, a piękny (denny) 8 tysięcy razy większą jak masa elektronu.
Kwarki posiadają ładunek elektryczny ułamkowy równy 2/3 lub -1/3 ładunku elektronu (elementarnego). Posiadają oprócz tego inny typ ładunku zwany ładunkiem kolorowym lub krótko kolorem, który jest źródłem silnego oddziaływania jądrowego, wiążącego kwarki w cząstkach i spajające jądra atomowe. Kolor jest niewidoczny. Kolory są trzy (czerwony, zielony i niebieski), a więc w rzeczywistości zamiast sześciu występuje aż osiemnaście naładowanych różnymi kolorami ładunków. Kwarków swobodnych nie obserwujemy ponieważ siła oddziaływania swobodnych kwarków roście wraz z odległością. Ale co jest zaskakujące w bardzo małych odległościach kwarki zachowują się inaczej. Gdy zbliżamy się coraz bardziej z odległościami między kwarkami do zera, siły ustają i kwarki stają się swobodne. Mówimy wówczas o zjawisku asymptotycznej swobody. Po raz pierwszy to opisali David Gross, H. David Politzer i Frank Wilczek w 1973 roku, za co dostali nagrodę Nobla z fizyki w 2004 roku. Taką swobodę mają kwarki w hadronach. Hadrony są obojętne kolorowo i tylko takie cząstki mogą istnieć. Przykładem hadronu jest proton i neutron. Masa protonu i neutronu, w przeciwieństwie do makroskopowych cząstek, nie jest sumą mas jego składników. Co szokuje: masa kwarków wnosi niecałe 2% do masy protonu czy też neutronu. Pozostała część masy pochodzi, zgodnie z zasadą równoważności Einsteina z energii niezbędnej do utrzymania kwarków w małej objętości (ujemna energia wiązania kwarków).
3 RODZINY FERMIONÓW
Cząstki tworzące materię (leptony i kwarki) mają spin połówkowy i są fermionami (najmniejszymi cegiełkami materii). Podlegają one zakazowi Pauliego, czyli nie mogą występować jednocześnie w tym samym stanie. Każdy fermion posiada swą antycząstkę – cząstkę antymaterii.
Cząstki będące cegiełkami materii łączą się w trzy rodziny. W każdej z nich znajdują się dwa kwarki i dwa leptony.
Pierwsza rodzina: elektron, neutrino elektronowe, kwarki -górny (up) i dolny (down).
Druga rodzina: mion, neurino mionowe, kwarki – powabny (charm) i dziwny (strange).
Trzecia rodzina: taon, neurino taonowe, kwarki – denny (bottom), zwany też pięknym i szczytowy (top), zwany też prawdziwym.
Cały istniejący wokół nas trwały i stabilny świat jest złożony z cząstek pierwszej rodziny:
– proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego
– neutron składa się z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego.
Zaś protony i neutrony tworzą jądro atomu (nukleon), wokół którego krążą elektrony.
Po co w naturze pozostałe dwie rodziny? Nie wiadomo. Tym bardziej, że własności cząstek drugiej i trzeciej rodziny są niemal dokładnie takie same jak pierwszej. Jedyna różnica to ta, że w kolejnych rodzinach cząstki są coraz cięższe. Wszystkie rzeczy zbudowane z cząstek należących do dwóch ostatnich rodzin są nietrwałe i rozpadają się w ułamku sekundy. Podejrzewamy, że istniały krótko tuż po Wielkim Wybuchu, a obecnie potrafimy je wyprodukować na moment w laboratoriach.
Wszystkie cząstki Wszechświata
W sumie znamy 25 cząstek elementarnych. Jeśli uwzględnimy ich antycząstki oraz to, że kwarki posiadają trzy rodzaje kolorów, to wszystkich cząstek jest co najmniej 61 (6 leptonów, 6 antyleptonów, 18 kwarków (6 rodzajów po 3 kolory), 18 antykwarków i 13 cząstek przenoszących oddziaływania).
Model standardowy:
Teoria, która opisuje cząstki występujące w przyrodzie oraz wszystkie siły z wyjątkiem grawitacji, nazywa się Modelem Standardowym. Potrafi ona wyjaśnić większość skomplikowanych procesów oraz budowę i własności setek cząstek przy pomocy kilku tylko cząstek elementarnych i oddziaływań pomiędzy nimi. Jednak Model Standardowy jest zawodny w niektórych przypadkach i nie opisuje oddziaływania grawitacyjnego. Szukamy więc nowych lepszych teorii. Model Standardowy zakłada się, że istnieją dwa rodzaje cząstek (cząstki elementarne): cząstki które są materią (jak elektrony, protony, neutrony i kwarki) oraz cząstki które przenoszą oddziaływania (jak fotony). Kwarki nie mogą występować samodzielnie i są uwięzione w hadronach. Każda cząstka ma swoją antycząstkę i mówimy wtedy o antymaterii.
Cztery podstawowe typy oddziaływania występujące w przyrodzie:
grawitacyjne (Model Standardowy nie opisuje tego typu oddziaływania), elektromagnetyczne, silne i słabe, które sprawiają, że świat jest pełen zjawisk: grawitacyjnych, elektrycznych, magnetycznych, promieniotwórczych, jądrowych. Pola tych sił składają się z kwantów, czyli też cząstek. Są to: gluony, bozony i cząstki Higgsa, których jeszcze nie znaleziono. Gluony różnią się ładunkiem silnym, czyli jak mówią fizycy – kolorem.
Model Standardowy opiera się na dwóch teoriach:
– teorii oddziaływań elektrosłabych opisujących oddziaływania elektromagnetyczne i słabe oraz
– teorii oddziaływań silnych zwaną chromodynamiką kwantową.
Budowa jądra atomowego
Cały nasz wielki świat zbudowany jest z atomów. Atomy składają się z trzech rodzajów cząstek: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony upakowane są w jądrze, które zajmuje w atomie pozycję centralną, elektrony zaś krążą wokół niego. Często wyobrażamy sobie atom jak na rysunku obok. Przeciętna jego średnica wynosi jedną lub dwie dziesięciomiliardowe części metra. Taki planetarny model atomu, chociaż niezbyt wiernie odzwierciedlający rzeczywistość, jest wystarczający dla naszych celów. Patrząc na ten schematyczny rysunek pamiętajmy, że średnica jądra atomowego jest naprawdę około 10 000 razy mniejsza od średnicy orbity elektronu, a rozmiarów przestrzennych elektronu w ogóle nie znamy! Jądro atomowe to centralna część każdego atomu, w której skoncentrowana jest niemal cała masa atomu. Istnienie masywnych jąder atomowych o objętości stanowiącej tylko niewielką część objętości całego atomu zostało stwierdzone w 1911 roku przez E. Rutherforda i jego współpracowników. Nie znamy kształtu jądra, ale najczęściej przyjmujemy, że jest on kulisty. Jądro składa się z protonów (ich liczbę Z nazywa się liczbą atomową) i neutronów. Składniki jądra czyli protony i neutrony nazywamy nukleonami (liczba A nukleonów w jądrze zwana jest liczbą masową tego jądra. Jądra atomowe o tej samej liczbie protonów a różnej liczbie neutronów nazywamy izotopami (jądra tego samego pierwiastka). Protony i neutrony jak wszystkie hadrony składają się z kwarków. Kwarki wewnątrz protonu i neutronu oddziałują ze sobą w wyniku oddziaływania silnego wymieniając gluony. Oprócz tego kwarki jednego protonu mogą się „sklejać” z kwarkami innego protonu lub neutronu co utrzymuje jądro w całości. Nazywamy to szczątkowym oddziaływaniem silnym.
W przyrodzie występują pierwiastki zawierające w jądrze od jednego protonu (wodór) do 92 (uran) (śladowo w rudzie uranowej występuje jeszcze 93 neptun i 94 pluton). Cięższe pierwiastki otrzymujemy sztucznie. Istnieje tylko około 270 jąder stabilnych czyli nierozpadających się. Najcięższym takim jądrem jest bizmut o liczbie atomowej 83 i masowej 209. Pozostałe jądra są niestabilne i ulegają rozpadowi na inne. Istnieją trzy rodzaje rozpadów: alfa, beta minus i beta plus (na tej stronie jednak ich nie omawiamy).
Liczby Z protonów i N neutronów w jądrze atomowym są do siebie zbliżone w wypadku lekkich i średnio ciężkich, natomiast dla jąder ciężkich N>Z. Wiąże się to z osłabieniem wiązania jąder o zbyt dużej liczbie protonów, spowodowanym siłami odpychania kulombowskiego.
Hiperjądro
Jądro atomowe zawierające co najmniej jeden barion lambda (hiperon lambda) nazywamy hiperjądrem. Ponieważ neutron i hiperon lambda zero są cząstkami elektrycznie obojętnymi, zatem, tak jak w przypadku zwykłego jądra, o liczbie atomowej hiperjądra decyduje liczba jego protonów. Wiązanie hiperonu w jądrze atomowym pozwala mówić o materii hiperjądrowej, albo dziwnej materii jądrowej, ponieważ hiperon lambda składa się oprócz kwarka dolnego „u” i górnego „d” z kwarka dziwnego „s” (uds). Pierwsze hiperjądro odkryli w 1952 roku profesorowie Marian Danysz i Jerzy Pniewski z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego. Najprostszym hiperjądrem jest hiperwodór 3 (hipertryt) składający się z protonu, neutronu i hiperonu lambda zero. Najczęstszym jest jądro składające się z dwóch protonów, z dwóch neutronów i hiperonu lambda zero, Takie jądro nazwano hiperhelem 5. Obecnie znamy ponad dwadzieścia hiperjąder, a najcięższym jest hiperwapń 40. Podobnie jak hiperon lambda, hiperjądra są nietrwałe i rozpadają się (średni ich czas życia wynosi 10-10 sekundy). Hiperjądra zawierające dwa hiperony lambda nazywamy hiperjądrami dwulambdowymi albo podwójnymi. Przykładem takich jąder są: podwójny hiperhel 6, podwójny hiperberyl 10 i podwójny hiperbor 13.
Hadrony
Kwarkom, które są składnikami materii przypisujemy ładunek kolorowy. Pojedyncze kwarki nie mogą istnieć, muszą się łączyć w takie układy aby całkowity kolor był równy zero. Nazywamy je hadronami (hadron to historycznie cząstka silnie oddziałująca). Kwarki sklejone są ze sobą za pomocą gluonów – kwantów oddziaływania silnego. Kwarki wymieniają gluony między sobą i dlatego są trwałe. Masa hadronów, w przeciwieństwie do makroskopowych cząstek, nie jest sumą mas jego składników. Co szokuje masa kwarków wnosi około 2% do masy danego hadronu. Pozostała część masy pochodzi, zgodnie z zasadą równoważności Einsteina z energii niezbędnej do utrzymania kwarków w małej objętości (ujemna energia wiązania kwarków).
Istnieją dwa podstawowe rodzaje hadronów: bariony i mezony, ale ostatnio odkryto cząstki składające się z pięciu kwarków.
Bariony
Bariony to cząstki zbudowane z trzech kwarków. Znanych jest około 120 takich cząstek. Barionami są nukleony czyli składniki jądra: proton i neutron. Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego (uud), a neutron z dwóch dolnych i jednego górnego (udd). Proton jest jedynym barionem stabilnym, czyli nie ulega żadnemu rozpadowi (możliwy jest tylko rozpad protonu wewnątrz niektórych jąder w postaci rozpadu beta plus). Neutron będąc niezwiązany rozpada się na proton, elektron i antyneutrino elektronowe. Średni czas życia neutronu wynosi jedynie około 930 sekund (piętnaście minut). Ten sam neutron w jądrze atomu jest jednak stabilny, bo jego rozpad zwiększyłby masę jądra. Mówimy, że neutron w jądrze jest warunkowo stabilny. Innym przykładem barionu zbudowanego z kwarków pierwszej rodziny jest cząstka delta++ (D ++), mająca podwójny ładunek dodatni i składająca się z trzech kwarków dolnych ale każdy o innym kolorze (uuu). Niestety średni czas życia cząstki delta++ jest bardzo krótki (krótszy od 10-20 sekundy. Takie cząstki nazywamy rezonansami. Hadrony zawierające co najmniej jeden kwark dziwny nazywamy barionami dziwnymi lub hiperonami. Średni czas życia tylko niektórych hiperonów jest rzędu 10-10 sekundy. Pozostałe są rezonansami. Najlżejszym i najbardziej trwałym jest hiperon lambda (L 0) składający się z kwarka górnego, dolnego i dziwnego (uds). Kolejnymi hiperonami stosunkowo trwałymi są (uszeregowane według wzrastającej masy): sigma plus (S+) składający się z dwóch kwarków górnych i jednego dziwnego (uus), sigma zero (S0) – (uds), sigma minus (S–) – (dds), ksi zero – (uss), ksi minus (X–) – (dss) iomega minus (W ++) – (sss). Odkryto również hadrony zawierające kwark powabny, nazywa się je barionami powabnymi. Najbardziej trwałym barionem powabnym jest cząstka delta c (Dc) składająca się z kwarka dolnego, górnego i powabnego (udc). Ponieważ kwarki mają spis połówkowy to wszystkie cząstki składające się z nieparzystej liczby kwarków, a więc również bariony mają spin połówkowy. Bariony wobec tego podlegają zakazowi Pauliego i nie mogą występować w tym samym miejscu w tym samym stanie.
Mezony
Mezony to obiekty złożone z układu kwark – antykwark. Występuje około 140 takich cząstek. Mezonem jest pion, czyli mezon p występujący w trzech odmianach ładunkowych: pion plus (p +) składający się z kwarka u i antykwarka d (u, anty-d), pion minus (p –) (anty-u, d) i pion zero (p 0) (anty-u, u) lub (anty-d, d). Innym przykładem dość trwałego mezonu jest kaon czyli mezon K mający również cztery odmiany: kaon plus (K+) składający się z kwarka górnego u i antykwarka dziwnego s (u, anty-s), kaon minus (K–) (anty-u, s), kaon zero (K0) (d, anty-s) lub (anty-d, s). Obiekty składające się z parzystej liczby kwarków, w tym mezony mają spin całkowity i nie podlegają zakazowi Pauliego, czyli mogą występować w tym samym stanie kwantowym. Obiekty złożone z czterech kwarków nie mogą istnieć ponieważ nie są obojętne kolorowo. Podobnie układy składające się z dwóch kwarków np. dd czy ud miałyby kolor i nie są obserwowane doświadczalnie.
4 RODZAJE ODDZIAŁYWANIA ELEMENTARNEGO
Znamy cztery rodzaje oddziaływania elementarnego między cząstkami: grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe. Cząstki przenoszące oddziaływania są bozonami czyli mają spin całkowity i nie podlegają zakazowi Pauliego.
Nośniki oddziaływań:
– oddziaływanie grawitacyjne: grawiton (cząstka hipotetyczna)
– oddziaływanie słabe: bozon W±, bozon Z
– oddziaływanie elektromagnetyczne (foton)
– oddziaływanie silne (gluony)
1) Oddziaływanie grawitacyjne
Występuje między każdymi ciałami posiadającymi masę. Opisywane jest prawem powszechnego ciążenia podanym przez Newtona. Nie stwierdzono odpychania grawitacyjnego. Jest to najsłabsze znane oddziaływanie. Przy oddziaływaniu między dwoma protonami siła grawitacyjna jest około 1036razy mniejsza od siły elektrostatycznej. Ma ona znaczenie przy oddziaływaniu ciał o bardzo dużych masach. Przy oddziaływaniach cząstek elementarnych ją pomijamy. Przypuszcza się, że oddziaływanie to przenoszone jest za pomocą pola grawitacyjnego, jednak jeszcze takiego pola nie wykryto. Hipotetyczną cząstką przenoszącą oddziaływanie grawitacyjne jest grawiton. Do tej pozy takiej cząstki nie zaobserwowano i nie wiemy czy istnieje. Oddziaływania tego nie opisuje Model Standardowy.
2) Oddziaływanie elektromagnetyczne
Odpowiada ono za siły działające między naładowanymi cząstkami – ładunkami dodatnimi i ujemnymi. Jednoimienne się odpychają, różnoimienne przyciągają. Oddziaływanie to odpowiedzialne jest za siły kontrolujące strukturę atomową, reakcje chemiczne i wszystkie zjawiska elektromagnetyczne. Niegdyś siły magnetyczne i elektromagnetyczne traktowano oddzielnie. Dopiero w XIX wieku Maxwell zdołał zebrać osobne do tej pory prawa w jeden zgrabny układ równań elektromagnetycznych. Okazało się, że zarówno elektryczność jak i magnetyzm to różne przejawy tej samej siły. Oddziaływanie elektromagnetyczne przenosi foton czyli kwant promieniowania elektromagnetycznego. Jest to cząstka poruszająca się z prędkością światła, mająca masę spoczynkową równą zero.
3) Oddziaływanie silne (występuje wewnątrz atomu)
Jest około 100 razy silniejsze od oddziaływania elektromagnetycznego stąd jego nazwa. Działa tylko na niewielkie odległości rzędu 10-15m działa między kwarkami. Cząstki przenoszące oddziaływanie silne nazywamy gluonami (ang. glue – klej). Kwarki i gluony posiadają ładunek kolorowy zwany krótko kolorem. Są trzy rodzaje koloru: czerwony, zielony i niebieski oraz odpowiednie antykolorowe ładunki. dwa lub więcej kwarków umieszczonych blisko siebie wymienia gluony tworząc bardzo silne „pole kolorowe” łączące kwarki. Kwarki ciągle zmieniają swój kolor podczas wymiany gluonów z innymi kwarkami. Każdy kwark ma jeden z trzech kolorowych ładunków i każdy antykwark ma jeden z trzech antykolorowych ładunków. Gluony przenoszą pary ładunków kolor/antykolor (niekoniecznie tego samego rodzaju). Mamy 9 kombinacji par kolor/antykolor, ale jedna z nich jest wyeliminowana ze względu na symetrię. Istnieje więc osiem rodzajów gluonów. Gluony są bezmasowe, czyli ich masa spoczynkowa jest równa zero. Zasięg działania tych cząstek wynosi zaledwie 10-18 m. Pozostaje pytanie, co trzyma nukleony razem jeśli silne oddziaływanie łączy jedynie kwarki? Protony i neutrony jak wszystkie hadrony, są obiektami kolorowo obojętnymi. Należy jednak pamiętać, że hadrony, składają się z kolorowo naładowanych kwarków i antykwarków. Kwarki jednego protonu mogą się „sklejać” z kwarkami innego protonu, nawet gdy proton pozostaje kolorowo obojętny. Nazywamy to szczątkowym oddziaływaniem silnym. Oddziaływanie silne odpowiedzialne więc jest za siłę działającą między nukleonami, która powoduje ogromną trwałość jądra atomowego. Oddziaływania silne opisuje kwantowa chromodynamika QCD (Quantum Chromodynamics). Próby rozwiązania równań chromodynamiki kwantowej napotykają wciąż na piętrzące się trudności.
4) Oddziaływania słabe (występuje wewnątrz atomu)
Są one około 1010 słabsze od oddziaływania elektromagnetycznego i działają na bardzo małe odległości rzędu 10-18m. W oddziaływaniach słabych uczestniczą wszystkie cząstki z wyjątkiem fotonu (i ewentualnie jeśli istnieje grawitonu). Kiedy kwark lub lepton zmienia rodzaj (przemienia się w inny) mówimy o zmianie zapachu. Wszystkie zmiany zapachu powodują oddziaływania słabe. Oddziaływanie słabe występuje więc między leptonami i odpowiedzialne jest za rozpad hadronów. Cząstkami przenoszącymi oddziaływania słabe są bozony pośredniczące: W+, W– i Z. Bozony W mają ładunek elektryczny, zaś bozon Z jest obojętny. Co ciekawe wszystkie trzy bozony mają masę spoczynkową równą kilkudziesięciu masom protonu czyli ponad 150 tysięcy razy większą niż masa elktronu. Zasięg działania tych cząstek wynosi zaledwie 10-18 m.
W latach pięćdziesiątych naszego wieku Sheldon Glasgow, Abdus Salam i Steven Weinberg wymyślili schemat, w którym udało się połączyć elektromagnetyzm ze słabymi siłami jądrowymi. Dziś ta zunifikowana teoria nosi nazwę oddziaływania elektrosłabego (QED).
Pole Higgsa
Fizyków nurtuje obecnie problem skąd bierze się masa spoczynkowa cząstek elementarnych? Dlaczego masa cząstek jest taka, a nie inna? Dodatkowo jak sądzą fizycy na początku Wszechświata wszystkie cząstki nie miały masy. Aby objaśnić fenomen istnienia masy, Model Standardowy zakłada istnienie pewnego kwantowego pola zwanego polem Higgsa, którego kwantem jest bozon Higgsa H. Pole to powinno przenikać cały Wszechświat. Cząstka Higgsa powinna mieć bardzo dużą masę, ponad 300 tysięcy razy większą od masy elektronu i dlatego bardzo trudno ją zaobserwować lub otrzymać. Zasięg działania tych cząstek jest bardzo mały. Masy wszystkich cząstek biorą się z oddziaływań z polem Higgsa. Inaczej elektrony, kwarki, neutrina byłyby nieważkie jak kwanty świetlnego promieniowania (foton). Naukowcy obecnie próbują otrzymać bozon Higgsa w akceleratorze LHC uruchomionym w 2008 roku w ośrodku badawczym Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) pod Genewą. Aby lepiej sobie wyobrazić pole Higgsa porównuje się do gęstego syropu, który wskutek obniżenia się temperatury Wszechświata skroplił się w całej objętości niczym mgła o poranku. Od tego czasu cząstki zaczęły grzęznąć, ale nie wszystkie jednakowo. Pewnym cząstkom syrop stawia większy opór, innym mniejszy, a niektóre jak fotony w ogóle go nie zauważają. Obecna masa cząstek jest właśnie miarą tego oporu.
NOŚNIKI ODDZIAŁYWAŃ
1) GRAWITON
Grawiton to hipotetyczna cząstka elementarna, która nie ma masy, ani ładunku elektrycznego i przenosi oddziaływanie grawitacyjne. Teoria grawitonu jest podstawą różnych kwantowych teorii grawitacji, będących wersją kwantowej teorii pola, ale nie Modelu Standardowego. Grawiton jest bozonem. Ma spin równy 2, co oznacza, że jest opisywany tensorem drugiego rzędu (macierzą). Tensor drugiego rzędu ma w przestrzeni czterowymiarowej 16 składowych, jednak macierz grawitonu jest symetryczna, stąd pozostaje niezależnych 10 składowych. Gdyby grawiton był masywny, to jego macierz miałaby 5 stanów własnych. Jednak jest bezmasowy, stąd ma tylko 2 stany własne, analogiczne do stanów polaryzacyjnych światła. O ile jednak światło składa się z fotonów o spinie 1 i jego standardowe stany polaryzacyjne (pionowy i poziomy) przechodzą w siebie po obrocie o 90°, to polaryzację grawitonu wystarczy obrócić o 45°. Polaryzacje te oznacza się symbolami „+” i „x”. Grawiton jest kwantem pola grawitacyjnego. W teorii względności pole to jest tożsame z tensorem metrycznym, można więc interpretować grawiton jako „zmarszczkę” czasoprzestrzeni. W Teorii grawitacji kwantowej grawiton jest bozonem cechowania, co oznacza, że oddziaływanie grawitacyjne polega na wymianie wirtualnych grawitonów. Grawitony mogą oddziaływać same ze sobą, stąd równania grawitacji są nieliniowe. Grawiton jest identyczny ze swoją antycząstką (podobnie jak np. foton), czyli jest cząstką Majorany. Zgodnie z teorią supersymetrii grawiton powinien mieć partnera o spinie 1½. Cząstka ta jest fermionem i nosi nazwę grawitino. Ze standardowej Teorii względności wynika, że grawiton ma masę 0. Istnieją jednak proste rozszerzenia tej teorii, gdzie obok grawitonów bezmasowych istnieją także masywne. Według obecnej wiedzy, wykrycie pojedynczych grawitonów jest w praktyce niemożliwe. Jest tak, ponieważ grawitacja jest bardzo słabym oddziaływaniem. Obserwacja zderzenia grawitonu z inną cząstką wymagałaby zgromadzenia takiej ilości materii i tak długiej obserwacji, że ludzka cywilizacja może nigdy tego nie osiągnąć. Można jednak rejestrowaćfale grawitacyjne, które można rozumieć jako superpozycję ogromnej ilości „pojedynczych” cząstek.
Zjawiska z udziałem grawitonów
Grawitacja
Grawitacja jest najsłabszym ze znanych oddziaływań. Ładunek grawitacyjny (czyli masa) jest dodatni dla każdej znanej formy materii. Istnieją rozwiązania teorii względności (np. opisujące tunele czasoprzestrzenne), z których wynika masa ujemna, jednak nie jest pewne, czy są one fizycznie możliwe. Cząstki wirtualne mogą mieć masę ujemną, jednak nie są to cząstki fizyczne, a jedynie obiekty matematyczne. Ujemną masę mają cząstki wirtualne, które powodują odpychanie obiektów, dodatnią te, które powodują przyciąganie. Grawitony mogą oddziaływać same ze sobą również za pomocą grawitonów. Grawitony „drugiego rzędu” również oddziałują ze sobą i tak w nieskończoność. Ten fakt powoduje, że równania ogólnej teorii względności są nieliniowe. Nie da się także obliczyć siły grawitacji przy pomocy rachunku zaburzeń, gdyż wymagałoby to np. istnienia makroskopowej funkcji falowej. Jest to przyczyną, dla której nie udało się dotąd stworzyć kwantowej teorii grawitacji.
Fale grawitacyjne
Fale grawitacyjne, których nośnikami byłyby bozony, mogłyby być interpretowane jako spójny stan (kondensat Bosego-Einsteina) grawitonów, tak jak fale elektromagnetyczne jako spójny stan fotonów. Projekty mające na celu doświadczalne odkrycie fal grawitacyjnych, takie jak LIGO i VIRGO, zostały rozpoczęte w XXI wieku. Fala grawitacyjna, tak jak sama grawitacja, jest odkształceniem czasoprzestrzeni i w myśl współczesnych teorii nie istnieje żaden materiał ani proces, który mógłby ekranować zmiany potencjału grawitacyjnego źródła. Z tego powodu fale grawitacyjne są obiecującym obiektem badania początkowych etapów Wszechświata, podobnie jak mikrofalowe promieniowanie tła. Promieniowanie mikrofalowe niesie informację o Wszechświecie w wieku ok. 300000 lat; wcześniej materia była zbyt gęsta i fale elektromagnetyczne ulegały rozproszeniu. Fale grawitacyjne nie mają tego ograniczenia i mogą nieść informację o wcześniejszych czasach. Według jednej z hipotez każdy ruch przyspieszony dowolnego ciała powoduje emisję grawitonów. Efekt ten jednak nie jest zauważalny w typowych sytuacjach ze względu zbyt małą energie emitowanego grawitonu. Istnienie fal grawitacyjnych można potwierdzić dopiero, gdy zaobserwuje się ruch w wystarczająco silnym potencjale grawitacyjnym, np. w przypadku dwóch blisko okrążających się gwiazd neutronowych. Obserwuje się wtedy zmniejszanie okresu obiegu ciał, powodowane emisją grawitonów. Zjawisko nie ma wyjaśnienia w fizyce klasycznej (część energii jest zabierana przez grawitony). Efekt taki zaobserwowano w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku w układzie podwójnym pulsarów PSR B1913+16, nazywanym „marzeniem Einsteina”. Pomiary fal grawitacyjnych polegają na pomiarze zmian odległości punktów detektora. Przykładem jest eksperyment, w którym trzy laboratoria są umiejscowione w wierzchołkach prostokątnego trójkąta równoramiennego i oddalone o kilka kilometrów, żeby fala grawitacyjna spowodowała mierzalne odchylenie. Do pomiaru odległości między laboratoriami stosuje się wiązkę laserową. Zmiany odległości między laboratoriami mogą być interpretowane jako pomiar amplitudy fali grawitacyjnej, zaś różnice odległości byłyby rzędu ułamka nanometrów. Typowa fala grawitacyjna (pochodząca od pary krążących wokół siebie obiektów) spowoduje na Ziemi odkształcenie pływowe (skrócenie jednego boku trójkąta i wydłużenie drugiego). Taka fala jest najłatwiejsza do rejestracji, chociaż inne fale, zmniejszające lub powiększające całą Ziemię we wszystkich kierunkach, również są możliwe.
Grawiton a czarne dziury
Teorie opisujące grawitony nie tłumaczą oddziaływania grawitacyjnego dwóch czarnych dziur, które nie mogą emitować żadnych cząstek, w tym nośników oddziaływania, jeżeli pomijać potencjał grawitacyjny. Pełny opis tego zjawiska mogłaby dać teoria kwantowej grawitacji, której obecnie nie udało się stworzyć. Najpopularniejsza z nich przewiduje istnienie mechanizmu podobnego do parowania czarnych dziur, w taki sposób, że pary wirtualnych grawitonów miałyby się pojawiać poza horyzontem zdarzeń, a następnie jeden z nich wpadałby do jednej dziury, a drugi do drugiej. Taki proces w myśl teorii pól kwantowych wystarcza do zaistnienia oddziaływania grawitacyjnego.
2) GLUON
Gluon (z ang. glue „klej”) to bezmasowa cząstka elementarna pośrednicząca w oddziaływaniach silnych. Gluon jest nośnikiem oddziaływań silnych, co oznacza, że oddziaływania te polegają na wymianie gluonów między kwarkami lub między innymi gluonami. Gluon przenosi ładunek kolorowy i nie ma ładunku elektrycznego czyli jest obojetny elektrycznie. Gluony są kwantami pola Yanga-Millsa.
Wymieniane pomiędzy kwarkami gluony tworzą pole sił kolorowych. Gluony mają własny kolor, dlatego oprócz przenoszenia oddziaływań pomiędzy kwarkami potrafią oddziaływać same ze sobą, co prowadzi na przykład do powstania tzw. pętli gluonowych w diagramach Feynmana. Gluony występują w ośmiu stanach o różnych kolorach.
3) BOZON
a) Bozon Z (zeton) – cząstka elementarna pośrednicząca w oddziaływaniach słabych, wymieniana przez np. elektrony czy neutrina i inne cząstki oddziałujące oddziaływaniem słabym podczas zderzeń. Jest obojętny elektrycznie. Jej istnienie przewidziała teoria oddziaływań słabych. Bozon Z jest równocześnie swoją antycząstką. Okres półtrwania wynosi 3,20•10-25 sekundy. Masa bozonu Z (energia spoczynkowa) wynosi 91,1876 0,0021 GeV. Zaproponowany został w modelu Weinberga-Salama (1968) jako wyjaśnienie zaobserwowanych procesów w doświadczeniu z wiązką neutrin w CERN-ie w 1963 roku.
b) Bozon W (wuon) – cząstka elementarna pośrednicząca w oddziaływaniach słabych, wymieniana przez elektrony, neutrina i inne cząstki oddziałujące oddziaływaniem słabym podczas zderzeń. Cząstka ta występuje w dwóch podstawowych postaciach: cząstki W+ i jej antycząstki W-. Obie mają ten sam spin (równy 1) oraz masę, różnią się tylko ładunkiem elektrycznym. (m = 80,425 ± 0,03 GeV // τ = 3 • 10-25 s). Bozony W przenoszą jeden z ładunków oddziaływania elektrosłabego, jakim jest słaby izospin. Jego wartość wynosi odpowiednio +1 i -1 dla bozonów W+ i W-. Bozony W są bozonami cechowania i generują podgrupę SU(2) oddziaływania elektrosłabego.
Rozpady radioaktywne
Najważniejszym zjawiskiem z udziałem bozonów W są rozpady beta. W procesie tym kwark d zawarty w neutronie rozpada się na kwark u oraz właśnie bozon W, który z kolei rozpada się na elektron i neutrino. Wysokoenergetyczne bozony W mogą się także rozpaść na pary: mion, neutrino mionowe lub taon, neutrino taonowe. Bozony W tworzą się także w rozpadach ciężkich kwarków. W rzeczywistości istnieje dodatkowy stan bozonu W, jakim jest W0. Trójka stanów: [W+, W0, W-] tworzy tryplet ze względu na słaby izospin, podobnie jak np. mezony [π+, π0, π-] tworzą tryplet silnego izospinu. Ponieważ bozon W ma 3 stany ze względu na izospin, więc może być nazwany „cząstką wektorową” izospinu. Lewoskrętny elektron i neutrino tworzyłyby razem „spinor”, natomiast cząstki prawoskrętne byłyby „skalarami”. Z matematycznego punktu widzenia, bozon W0 jest superpozycją fotonu i bozonu Z. Gdyby w jakimś procesie powstała zatem cząstka W0, to zgodnie z probablistyczną naturąmechaniki kwantowej istniałoby pewne prawdopodobieństwo zarejestrowania jej jako fotonu i pewne jako bozonu Z. Proporcje „zmieszania” bozonu Z i fotonu w bozonie W0 określa tzw. kąt Weinberga. W większości rozważań nie definiuje się bozonu W0, do opisu zjawisk wystarczają bozony Z i foton.
Oddziaływanie elektrosłabe i złamanie symetrii
Zupełnie równoważnie można traktować bozon W0 jako podstawowy, a foton i bozon Z jako jego superpozycje z bozonem B. Definiowanie bozonu W0 i B ma sens, kiedy rozważa się teorie wielkiej unifikacji, gdzie oddziaływanie elektromagnetyczne jest zunifikowane z oddziaływaniem słabym. Istnieje wtedy pierwotne symetryczne oddziaływanie elektrosłabe, niezmiennicze względem grupy cechowania SU(2)xU(1). Oddziaływanie elektromagnetyczne ma wtedy identyczną siłę jak oddziaływanie słabe, dlatego nie ma sensu ich odróżnianie. Nie ma także znaczenia ładunek elektryczny. Rozważania te prowadzi się przy założeniu, że bozony W i B nie mają masy. Symetrię tę łamie bozon Higgsa, który oddziałuje z bozonami B i W, nadając im masy. Pewna kombinacja liniowa (superpozycja) bozonów W i B oddziałuje wtedy najsłabiej z polem Higgsa, a inna kombinacja – najmocniej. Tą pierwszą nazywa się właśnie fotonem a drugą – bozonem Z. Ze względu na słabe sprzęganie z polem Higgsa foton pozostaje cząstką bezmasową; bozon Z musi mieć wtedy największą możliwą masę z wszystkich kombinacji W i B. Im lżejszy bozon pośredniczący, tym mocniejsze oddziaływanie, które on przenosi, zatem oddziaływanie elektromagnetyczne przenoszone przez foton staje się bardzo silne, a oddziaływanie słabe przenoszone przez bozon Z – bardzo słabe. Z pierwotnego zunifikowanego oddziaływania elektrosłabego powstają dwa oddziaływania: elektromagnetyczne i słabe. Pozostałość pierwotnej symetrii widać dzięki istnieniu naładowanych bozonów W+ i W-. Fakt, że jednocześnie przenoszą ładunek elektromagnetyczny i słaby, świadczy o bliskim pokrewieństwie tych oddziaływań.
c) Bozon X – hipotetyczna cząstka elementarna, której istnienie jest postulowane przez teorię wielkiej unifikacji SU(5), której istnienia nie potwierdzono dotąd doświadczalnie. W fizyce cząstka bozon X to nowa hipotetyczna cząstka elementarna, analogiczna do bozonów W i Z, odpowiadająca za nowy typ oddziaływań, przewidywana przez teorię wielkiej unifikacji. Bozon X przenosić ma oddziaływania przekształcające kwarki w leptony i odwrotnie, co umożliwiałoby takie procesy, jak niezaobserwowany dotąd rozpad protonu. Ładunek elektryczny bozonu X wynosić powinien 4/3 e. Powinien też posiadać, tak jak kwarki, trzy kolory. W rezultacie tego procesu dwa kwarki u przekształcałyby się w antykwark d i pozyton. W oddziaływaniach kwarkowo-leptonowych uczestniczyć powinna też druga taka hipotetyczna cząstka – bozon Y. W sumie istnieć powinno 12 cząstek pośredniczących w przemianie kwarków w leptony: bozony X i Y wraz z antycząstkami (ładunki 4/3 e, 1/3 e, -1/3 e, -4/3 e), każda w trzech kolorach. Mówi się też czasem, że istnieje 12 hipotetycznych rodzajów bozonów X. Jak dotąd w żadnym doświadczeniu nie potwierdzono istnienia cząstki zwanej bozonem X. Nie zaobserwowano też dotąd samorzutnego rozpadu protonu mimo trwających od wielu lat wysiłków fizyków eksperymentalnych. Ostatnie eksperymenty przeprowadzone w wielkim akceleratorze cząstek w CERNie tuż przed rozpoczęciem jego przebudowy na LHC wykazały, że „istniejące struktury są gładkie” i nie zaobserwowano śladów żadnych nowych oddziaływań. Istnienie bozonu X jest więc hipotetyczne i wynika jedynie z istniejących na jego temat czysto teoretycznych hipotez (teoria wielkiej unifikacji).
PLAZMA
PLAZMA – zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, w którym znaczna część cząstek jest naładowana elektrycznie. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.
Dokładniejsza definicja plazmy zależy od kontekstu badań. Rodzaje plazmy:
Plazma tworząca gwiazdy (tak zwana plazma gorąca) składa się z naładowanych i obojętnych cząstek elementarnych oraz jąder atomowych, jednak z uwagi na dużą gęstość i wysoką temperaturę nie można mówić o obecności atomów lub jonów.
Plazma zimna powstaje przy odpowiednio niskich temperaturach i gęstościach, w warunkach ziemskich (na przykład podczas wyładowań atmosferycznych) i w zbudowanych przez człowieka urządzeniach (na przykład plazmotronach). W jej skład, prócz składników tworzących plazmę gorącą, wchodzić mogą również atomy i ich jony, a także cząsteczki (zarówno obojętne, jak i zjonizowane).
Plazma wyładowania pierścieniowego to niskociśnieniowa odmiana plazmy. Otrzymywana jest pod wpływem przemiennego pola elektromagnetycznego wysokiej częstości rzędu 100 MHz przy ciśnieniu obniżonym do ok. 100 Pa. Jest to interesujący stan materii o ciekawych właściwościach fizycznych, trudny jednak do badań z uwagi na brak w tych warunkach równowagi termodynamicznej. Określenie plazma wyładowania pierścieniowego (a także: Ring Discharge Plasma) wprowadził na początku lat osiemdziesiątych XX w. polski fizyk prof. Henryk Zbigniew Wrembel
Właściwości elektryczne
Z uwagi na obecność dużej ilości jonów o różnym ładunku, a także swobodnych elektronów, plazma silnie oddziałuje z polem elektrycznym i magnetycznym. Z tych samych względów, plazma przewodzi prąd elektryczny, a jej opór, przeciwnie niż w przypadku metali, maleje ze wzrostem temperatury. W zależności od natężenia przepływającego prądu w plazmie rozróżnia się trzy stany:
– przy bardzo małym natężeniu „czarny prąd” – bez emisji światła widzialnego
– przy zwiększonym natężeniu plazma zaczyna wytwarzać światło – najbardziej znanym w życiu codziennym jest światło ze świetlówek
– gdy natężenie prądu przekracza pewną graniczną wartość, powstaje łuk elektryczny (tak jak przy spawaniu).
Temperatura plazmy
W warunkach ziemskich nie istnieje możliwość utrzymywania plazmy w stanie równowagi termicznej z otoczeniem; obecne są zarówno przepływy energii pomiędzy plazmą a otoczeniem, jak i nierównowagowe rozkłady parametrów fizycznych takich jak temperatura, ciśnienie, gęstość i skład. Co więcej, samo pojęcie temperatury, jako klasy równoważności układów termodynamicznych, traci sens w odniesieniu do układów nie będących w równowadze. W związku z tym, dla nierównowagowej plazmy można zdefiniować kilka różnych odpowiedników temperatury. Są one oparte na:
– średniej energii kinetycznej elektronów (tzw. temperatura elektronowa)
– średniej energii kinetycznej ruchu atomów i jonów
– rozkładzie długości fali emitowanego światła (temperatura spektralna)
– rozkładzie energii wzbudzeń atomów, cząsteczek i jonów (łącznie z ich stopniem jonizacji)
Wartości takich pseudotemperatur mogą się różnić od siebie nawzajem o kilka rzędów wielkości, a przy tym w równie dużym zakresie zmieniają się w przestrzeni zajmowanej przez plazmę, a także w czasie (np. w związku z przemieszczającymi się liniami wyładowań).
Struktura komórkowa
Brak równowagi termodynamicznej i związane z nim przepływy mogą prowadzić do powstawania struktur o charakterze dyssypatywnym. W szczególności, różnice temperatur mogą prowadzić do powstawania struktury komórkowej, w której każda komórka jest otoczona przez warstwę podwójną (DL, z ang. double layer). W warstwie podwójnej od strony o wyższej temperaturze występuje warstwa o zwiększonej ilości (gęstości) jonów dodatnich, a od strony chłodniejszej warstwa o zwiększonej gęstości elektronów; między tymi warstwami występuje obszar o zmniejszonej gęstości jonów i elektronów. Komórki te mogą mieć formę ziarnistą, ale częściej obserwuje się formy włókniste, występujące często przy przepływie plazmy. Gdy prąd przepływa przez komórkę plazmy, która jest prawie idealnym przewodnikiem, musi przepłynąć przez warstwę podwójną, i to właśnie na niej następuje prawie cały spadek napięcia.
Skalowanie
Jedną z ciekawych charakterystyk plazmy jest jej proporcjonalność w zachowaniu (plasma scaling). Tak jak na podstawie zachowania modelu samolotu w tunelu aerodynamicznym można przewidzieć zachowanie się normalnego samolotu, tak samo na podstawie badań laboratoryjnych możemy przewidzieć jak się zachowa plazma, gdy zajmuje ona obszar tak wielki jak galaktyka. To co trwa w laboratorium ułamki sekundy, w skali galaktyki może trwać miliony lat.
Ze względu na elektryczny i magnetyczny charakter plazmy w połowie XX w powstała teoria na temat Kosmosu tzw. Teoria Elektrycznego Kosmosu, obecnie powszechnie odrzucana przez naukowców.
Historia badań
Wprowadzenie określenia plazmy przypisuje się amerykańskiemu fizykochemikowi, nobliście Irvingowi Langmuirowi w 1928. Wg jednej z teorii w stanie plazmy znajduje się ponad 99% materii tej części Wszechświata, która znajduje się w obszarze dostępnym dla ludzkiej obserwacji.
CERN – Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych
CERN to ośrodek naukowo-badawczy położony na północno-zachodnich przedmieściach Genewy na granicy Szwajcarii i Francji, pomiędzy Jeziorem Genewskim a górskim pasmem Jury. Skrót CERN pochodzi od pierwotnej nazwy organizacji: Europejska Rada Badań Jądrowych (z francuskiego Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Ze względu na obecny stan działalności ośrodka stosowana jest również nazwa Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek (z francuskiego Laboratoire Européen pour la Physique des Particules), lecz nie ma ona charakteru oficjalnego. Obecnie do organizacji należy dwadzieścia państw. Wysokość składek jest proporcjonalna do ich dochodu narodowego. W 2008 roku Polska pokrywa 2,3% budżetu, co sytuuje nas na jedenastym miejscu. CERN zatrudnia 2600 stałych pracowników oraz około 8000 naukowców i inżynierów. W ośrodku pracuje około 350 Polaków. Działalność CERN to czysta nauka, poszukiwanie odpowiedzi na najbardziej podstawowe pytania dotyczące przyrody: Co to jest materia? Skąd się bierze? W jaki sposób tworzy ona tak skomplikowane obiekty, jak gwiazdy, planety i istoty ludzkie? Zadaniem CERN jest dostarczanie fizykom wiązek cząstek o wysokich energiach, by mogli wykorzystywać je do swoich eksperymentów. Pod tym względem Laboratorium jest bezkonkurencyjne, bowiem posiada największy na świecie kompleks połączonych ze sobą akceleratorów (przyspieszacz cząstek) i odpowiednie detektory (urządzenia rejestrujące i analizujące otrzymane cząstki). Zderzając cząstki ze sobą wewnątrz akceleratorów zwanych zderzaczami luk zderzając je z tarczami znajdującymi się poza akceleratorem, wytwarza się nowe cząstki. Naukowcy w CERN badają miliony niezwykłych zderzeń, by zrozumieć, w jaki sposób około 15 miliardów lat później Wszechświat stał się taki, jakim go teraz widzimy. Przyspieszając cząstki do bardzo dużych energii i rozbijając je o wyznaczone tarcze lub o siebie nawzajem, fizycy mogą pokazać oddziaływania, występujące pomiędzy tymi cząstkami. Istnieją dwa typy akceleratorów: liniowe i kołowe. W CERN są obydwa typy. Akceleratory wykorzystują potężne pola elektryczne, by nadać energię wiązce cząstek. Pola magnetyczne służą do utrzymania zwartości wiązki, a w urządzeniach kołowych do kierowania jej po okręgu. Akceleratory liniowe nadają energię wiązce cząstek na całej długości akceleratora. Im urządzenie jest dłuższe, tym większa jest energia końcowa. W akceleratorach kołowych cząstki krążą cały czas, za każdym okrążeniem zwiększając energię.
W 1957 skonstruowano pierwszy akcelerator cząstek – Synchrocyklotron Protonowy (PS) , który przyspieszał protony i pozwolił pierwszy raz zaobserwować rozpad pionu na elektron i neutrino.
W 1976 ruszył akcelerator SPS (Super Proton Synchrotron) pozwalający przyspieszać protony do jeszcze większych energii. Równocześnie opracowano technikę stochastycznego chłodzenia, która pozwoliła na przyspieszenie intensywnej wiązki antyprotonów. Akcelerator SPS przekształcono w zderzacz proton-antyproton i w 1983 odkryto przewidziane teoretycznie bozony pośredniczące w oddziaływaniach słabych W i Z. Oba akceleratory PS i SPS pracują do dziś i stanowią pierwszy stopień przyspieszania. Po opuszczeniu tych przyspieszaczy protony mają prędkość stanowiącą 99,99975 % prędkości światła są kierowane do dalszego przyspieszania. W 1989 roku ruszył Wielki Zderzacz Elektronowo – Pozytonowy (z angielskiego Large Electron-Positron Collider czyli LEP) . Dokładniej zbadano na nim bozony W+, W– i Zo; dowiedziono, że istnieją jedynie trzy rodziny cząstek elementarnych. LEP pracował do 2000 roku. Znajdował się on w tunelu o obwodzie 27 kilometrów. Posiadał cztery główne detektory: ALEPH (An Apparatus for LEP pHysics), DELPHI (Detector with Electron, Photonand Hadron Identication), L3 (Letter of intent. nr 3) oraz OPAL (Omni PurposeApparatus for LEP)
Wielki zderzacz hadronów – LHC
W 2000 roku LEP został rozebrany, aby zwolnić tunel, w którym się znajdował i zaczęto budowę Wielkiego Zderzacza Hadronów LHC (z angielskiego Large Hadron Collieder). Ma on przyspieszać przeciwbieżne wiązki proton-proton i proton-jądro ołowiu. Po całym cyklu przyspieszania protony będą miały prędkość stanowiącą 99,9999991% prędkości światła. Cząstki są w stanie okrążać odziedziczony po LEP-ie tunel o długości dwudziestu siedmiu kilometrów 11 000 razy na sekundę. Tory cząstek zakrzywiają schłodzone helem do 1,9 K (-271,05°C) elektromagnesy nadprzewodzące, przez które płynie prąd elektryczny o natężeniu do 11850 A. Ponieważ LHC będzie przyspieszał dwie wiązki poruszające się w przeciwnych kierunkach, będą to w rzeczywistości dwa akceleratory w jednym. Aby urządzenie było maksymalnie zwarte i możliwie najmniej kosztowne, magnesy wbudowane będą w jeden blok. Przed wpuszczeniem wiązki protonów do LHC, wiązki protonów będą przygotowywane przez akceleratory PS i SPS już pracujące w CERN. Wielki Zderzacz Hadronów ma bardzo dużą liczbę cząstek w wiązce, dzięki czemu wzrasta prawdopodobieństwo obserwacji interesujących zderzeń. 10 września 2008 został on próbnie uruchomiony ale nastąpiła awaria i program badań znacznie się opóźnił.
Uniwersalne układy detekcyjne
Detektory, które będą badać zderzenia w LHC będą większe i bardziej skomplikowane niż dotychczasowe. Będą również szybsze, zdolne wychwycić około 800 milionów zderzeń w każdej sekundzie. LHC posiada cztery ogromne detektory: dwa wielkie i uniwersalne – ATLAS (A Toroidal LHC AparatuS) i CMS (Compact Muon Solenoid) oraz dwa mniejsze, bardziej wyspecjalizowane – ALICE (A Large Ion Collider Experiment), LHCb. Układy detekcyjne muszą zawierać więc dużą liczbę poddetektorów, podzielonych na wiele dalszych komórek. Każda z nich zawiera elektroniczny tor sygnałowy, składający się z wzmacniaczy, układów formowania impulsu, przetworników sygnałów analogowych na cyfry, kabli i włókien optycznych, systemu pamięci buforowych itp. Okazuje się, że liczba kanałów elektroniki systemów detekcyjnych jest bardzo wysoka: dla CMS wynosi ona około 100 mln kanałów. Tyle mniej więcej jest aparatów telefonicznych w Europie.
ATLAS jest detektorem ogólnego zastosowania, podczas zderzania wiązek protonów jest bardziej skupiony na wyłapaniu największego spektrum produktów kolizji niż detekcji konkretnych rodzajów cząstek. Jest on największym objętościowo detektorem cząstek, jaki dotąd zbudowano, ma wymiary sześciopiętrowego budynku. W tym eksperymencie, podobnie jak w CMS, badania będą dotyczyły poszukiwań cząstki Higgsa, dodatkowych wymiarów i cząstek tworzących (np. cząstek supersymetrycznych).
CMS (zwarty solenoidalny detektor mionów) to jeden z dwóch detektorów ogólnego przeznaczenia. Głównym jego zadaniem jest jak sama nazwa wskazuje będzie detekcja mionów, które łatwo przenikają przez materię, dadzą się więc zidentyfikować w zewnętrznych warstwach detektora, gzie nie dolecą inne cząstki. Pojawienie się mionów może być dla fizyków sygnałem obecności nowych cząstek, których nie opisuje Model Standardowy. W tym eksperymencie, podobnie jak w eksperymencie ATLAS, badania będą więc dotyczyły poszukiwań cząstki Higgsa, dodatkowych wymiarów, cząstek tworzących ciemną materię (np. cząstek supersymetrycznych). CMS, w przeciwieństwie do innych dużych detektorów w LHC, został zbudowany na powierzchni i następnie w 15 częściach opuszczony do podziemnej hali i ponownie złożony.
ALICE (eksperyment przy wielkim zderzaczu jonów) jest eksperymentem badającym plazmę kwarkowo-gluonową (QGP) w zderzeniach jonów ołowiu, co pozwoli odtworzyć w laboratorium warunki tuż po Wielkim Wybuchu, zanim powstały takie cząstki jak proton i neutron. Będzie również służył do badań zderzeń proton-proton, uzyskując z nich dane porównawcze do zderzeń jonów ołowiu.
LHCb (detektor cząstek elementarnych przy LHC) posłuży do obserwacji kwarków) b i ich antykwarków) (jest to kwark piękny lub inaczej denny). Wyniki tego eksperymentu pozwolą odpowiedzieć na pytanie, czy łamanie symetrii CP zachodzi dla kwarków pięknych b. Wcześniejsze doświadczenia dowiodły, że zjawisko łamania CP ma miejsce przy rozpadach kwarków dziwnych (s) na kwarki u i d. Pozwoli to na wyjaśnienia dlaczego dziś świat zdominowany jest przez materię, a nie antymaterię).
System wyzwalania i zbierania danych
LHC będzie rocznie dostarczać 15 mln GB danych, co odpowiada 100 000 płyt DVD. Aby umożliwić naukowcom z całego świata dostęp do tych danych i ich analizę, został zbudowany WLCG – rozproszony układ komputerowy umożliwiający przechowywanie danych i obliczenia. Kopie danych z eksperymentów LHC będą przekazywane do wielu dużych centrów komputerowych pracujących w systemie gridowym w 33 krajach. Jednym z najtrudniejszych problemów stojących przed fizykami jest zbudowanie systemu wyzwalania, to znaczy selekcji i odrzucania większości „nieciekawych” oddziaływań proton-proton. System wyzwalania w eksperymentach wysokich energii jest zazwyczaj kilkustopniowy. Zadaniem pierwszego stopnia jest jak najszybsze (w około 3 ms) odrzucenie większości nieciekawych oddziaływań- takich, w których nie powstały obiekty o dużych pędach poprzecznych. Na tym poziomie niemożliwe jest wykonywanie złożonych testów lub jakichkolwiek obliczeń, gdyż trzeba działać z częstością 40 MHz. W czasie oczekiwania na decyzję nie powinniśmy jednak tracić potencjalnie interesujących przypadków. Szybkie rozstrzygnięcia muszą być podejmowane przez wyspecjalizowane układy procesorów pracujących równolegle, tworzących układ znacznie bardziej skomplikowany niż największe superkomputery. Przewiduje się, że po pierwszym etapie selekcji pozostanie około 30 tysięcy przypadków, które poddane zostaną szczegółowej analizie. Dopiero po odrzuceniu większości nieciekawych przypadków można wykonywać bardziej dokładne obliczenia, takie jak na przykład wyznaczenie pędów cząstek i sprawdzenie, czy w danym zderzeniu nie zaobserwowano rozpadów cząstek o czasach życia większych niż 1 ps (takie rozpady można obserwować w detektorach). Takie operacje mogą już wykonywać zestawy dostępnych komputerów, z których każdy zajmuje się jednym przypadkiem. Komputer taki musi otrzymać wszystkie informacje o danym przypadku. Obliczenia będą przeprowadzane na komputerach wielu użytkowników w wielu krajach. Trzeba było zaprojektować i zbudować swoistą centralę telefoniczną, która potrafi łączyć 100 mln abonentów-kanałów elektroniki z centralą-komputerem z częstości 40 MHz.
Program badawczy LHC
W LHC mają zostać zrealizowane cztery podstawowe programy eksperymentalne. Ale oprócz tego obowiązuje naczelna zasada fizyków – „Najważniejsze to badać”, a efekty mogą być zaskakujące. Zderzacz być może umożliwi zbadanie nowych obszarów w poszukiwaniu śladów ukrytych dodatkowych wymiarów czasoprzestrzeni, nowych oddziaływań i nieznanych zjawisk.
Poszukiwanie cząstki Higgsa
Cząstka ta jest ostatnim elementem składowym Modelu Standardowego, który nie został jeszcze zaobserwowany. Z przeprowadzonych dotychczas eksperymentów wiadomo, że jej masa spoczynkowa musi być bardzo duża. Celem badań, które zostaną przeprowadzone w LHC, będzie dokładne spenetrowanie całego tego obszaru możliwych wartości mas. Nie jest to zadanie proste, bowiem cząstka Higgsa ma niezwykle krótki czas życia i w zależności od swojej masy może rozpadać się na wiele różnych sposobów. Na szczęście, możliwe kanały rozpadu zostały w ciągu ostatnich kilkunastu lat gruntownie przeanalizowane zarówno teoretycznie, jak i za pomocą symulacji komputerowych i wiadomo bardzo dokładnie, jakie oznaki istnienia tej cząstki możemy zaobserwować w detektorach LHC.
Poszukiwanie nowych cząstek
Teorie wielkiej unifikacji, w tym Teoria Supersymetri, przewidują istnienie nowej klasy cząstek elementarnych. W zderzeniach wysokiej energii takie cząstki być może powstaną. Uczeni liczą, że zostanie wtedy rozwiązana zagadka dotycząca ciemnej materii.
Plazma kwarkowo – gluonowa
W LHC przyspieszane być mogą, zamiast protonów, również ciężkie jony (na przykład jądra ołowiu). Kiedy rozpędzone do wielkich energii jądra takie zderzają się ze sobą, przez krótką chwilę kwarki i gluony poddane zostają ciśnieniom i temperaturom wielokrotnie przekraczającym ciśnienia i temperatury panujące we wnętrzach najbardziej masywnych gwiazd. W tych ekstremalnych warunkach powstaje nowy, egzotyczny stan skupienia materii zwany plazmą gluonowo-kwarkową. W zderzeniach cząstek elementarnych struktura wiązań kwarków ulega zaburzeniu. Jeśli jednak energia i gęstość materii nie jest wystarczająco duża, każdy kwark znajduje sobie natychmiast odpowiedniego partnera w swoim najbliższym otoczeniu i wiąże się z nim. Sytuacja zmienia się drastycznie, kiedy gęstość materii gluonowo-kwarkowej osiąga pewną wartość graniczną. Wtedy każdy kwark ma w swoim otoczeniu wielu potencjalnych partnerów, z którymi może się związać. Na dodatek nie musi on pozostawać na zawsze w jednym związku, może porzucić swojego partnera i znaleźć sobie szybko nowego. Własności materii takiej mieszaniny kwarków i gluonów są w zasadzie nieznane. Chromodynamika kwantowa, teoria opisująca zachowanie kwarków i gluonów, jest jednym z najbardziej skomplikowanych i wyrafinowanych modeli fizyki teoretycznej i bardzo skutecznie opiera się dotychczas wysiłkom badaczy, próbujących przewidzieć opisywane przez nią zachowanie materii w ekstremalnych warunkach. Nie ulega jednak wątpliwości, że zrozumienie fizyki plazmy gluonowo-kwarkowej będzie miało kolosalne znaczenie nie tylko dla astrofizyki i kosmologii, ale może mieć daleko idące konsekwencje praktyczne. W prasie pojawiła się sensacyjna informacja o możliwości wytworzenia mikroskopijnej czarnej dziury w wyniku połączenia się dwóch protonów. Nie jest to wykluczone, ale w artykułach naukowych o tym się nie wspomina i nie jest to celem głównym.
Fizyka kwarka pięknego b
Ostatnim z wielkich projektów doświadczalnych, które mają być przeprowadzone przy użyciu LHC, jest badanie własności kwarka pięknego b. LHC jest w stanie wyprodukować bardzo duże ilości tych kwarków i ich antykwarków. Pozwoli być może stwierdzić co łamie symetrię w oddziaływaniach elktrosłabych i dlaczego istnieje Wszechświat bez materii.
Międzynarodowy Zderzacz Liniowy (ILC)
W sierpniu 2004 roku, choć do uruchomienia akceleratora LHC było jeszcze daleko, zdecydowano na międzynarodowej konferencji w Pekinie o budowie akceleratora liniowego przyśpieszającego elektrony i pozytony, który będzie następnym krokiem w badaniu natury materii. Nazwano go Międzynarodowym Zderzaczem Liniowym (ILC – International Linear Collider). Nie ustalono jeszcze miejsca budowy. Najpoważniejszymi kandydatami są Niemcy (ośrodek DESY) gdzie już pracuje próbny odcinek, Europejski Ośrodek Fizyki Cząstek (CERN), USA (może Fermilab pod Chicago) i Japonia (KEK w Tsukuba). Ma on być finansowany przez największe ośrodki fizyki na świecie z Europy, USA i Japonii. Całkowity koszt budowy wynosi 7 mld dolarów. Będzie to w odróżnieniu od LHC akcelerator liniowy, to znaczy rozpędzane cząstki poruszać się będą po linii prostej. Służyć on będzie do badania zderzeń lekkich cząstek elektronów i pozytonów i dla takich cząstek akcelerator kołowy byłby droższy. Nowy przyspieszacz powstanie w tunelu o długości ponad 30 km i średnicy pięciu metrów umieszczonym kilkadziesiąt metrów pod ziemią. Cząstki będą rozpędzane napięciem ponad 26 mln woltów przez nadprzewodzące instalacje. Całkowita moc akceleratora wynosi aż 155 MW (moc elektrowni Adamów koło Turku wynosi 600 MW) czyli jedną czwartą średniej wielkości elektrowni. Nowy akcelerator pozwoli badać cząstki powstałe w wyniku zderzenia elektronów i pozytonów. Takie warunki panowały zaraz po Wielkim Wybuchu, będzie więc można testować różne hipotezy przebiegu powstawania Wszechświata. Być może zbadamy dokładniej właściwości neutrino. Fizycy szukać też będą cząstki Higgsa. Testowana będzie teoria strun, według której wszystkie cząstki można traktować jak maleńkie struny. Szukać się też będzie cząstek postulowanych przez teorię supersymetrii, które wyginęły tuż po Wielkim Wybuchu. Taką cząstką jest neutralino, cząstka symetryczna do neutrino. Prace nad ILC ruszą pełną parą, gdy tylko odkrycia dokonane przez LHC wskażą najwłaściwsze kierunki dalszych badań. Równolegle z projektowaniem technicznym opracowuje się modele zarządzania projektem tak, by wszystkie biorące w nim zespoły fizyków były odpowiednio reprezentowane.
TEORIA SUPERSTRUN
W teorii strun przestrzeń ma więcej niż 3 wymiary, ale dodatkowe wymiary są zwinięte do mikroskopijnych rozmiarów.
Teoria superstrun – wersja teorii strun, która łączy ją z supersymetrią. Wersja teorii superstrun, M-teoria, jest jedną z proponowanych teorii wszystkiego. M-teoria przewiduje, że teoria superstrun opisuje tylko część rzeczywistości. Teoria superstrun mieści w sobie wszystkie symetrie Modelu Standardowego i GUT. Jest to także najbardziej obiecująca kwantowa teoria grawitacji, ponieważ jako pierwsza w historii fizyki poddaje się kwantowej renormalizacji. Michio Kaku próbował wyjaśnić strukturę Wszechświata z perspektywy teorii superstrun w następujący sposób:
Struna heterotyczna jest zamkniętą struną z dwoma typami drgań, zgodnie i przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara, które są traktowane oddzielnie. Drgania zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara odbywają się w dziesięciowymiarowej przestrzeni, natomiast drgania w przeciwnym kierunku wypełniają dwudziestosześciowymiarową przestrzeń, w której szesnaście wymiarów uległokompaktyfikacji (w oryginalnej, pięciowymiarowej przestrzeni Kaluzy piąty wymiar był skompaktyfikowany przez zwinięcie do okręgu).
Struny
W starszych teoriach cząstki traktowane są jako punkty w przestrzeni. W teorii superstrun cząstki są strunami mającymi rozmiary zbliżone do długości Plancka (około 10-35m), które wibrują z pewnymi ściśle określonymi częstotliwościami. Struny te cechuje supersymetria. Każdy rodzaj drgań określa wystąpienie innej cząstki elementarnej. Podobnie jak w innych teoriach kwantowych, fundamentalne siły przenoszone są poprzez odpowiednie cząstki. Przykładem może być grawiton, który przenosi siłę grawitacji. Grawitonowi odpowiada struna drgająca z amplitudą równą zero. Struny w ramach tej teorii są obiektami rozciągłymi (niepunktowymi) i dlatego teoria superstrun nie jest teorią pola.
Liczba wymiarów
Czasoprzestrzeń, w której żyjemy, ma cztery normalne wymiary (3 przestrzenne i czas) i teoria fizyczna musi brać to pod uwagę. Jednak w teorii strun wewnętrzna spójność narzuca liczbę wymiarów 10 lub 26. Pozorny konflikt pomiędzy obserwacją i teorią zostaje rozwiązany, dzięki temu, że długości pozostałych wymiarów są bardzo małej wielkości (10-35 m), zwanej długością Plancka, wobec tego ich nie dostrzegamy. Badania zanikania siły grawitacji wraz z odległością powinny dać inne wyniki niż dla przypadku 4 wymiarów, co jest efektem związanym z założeniem, że grawitacja jako jedyne oddziaływanie w modelu rozchodzi się we wszystkich dostępnych wymiarach. Zakładając więc, że udałoby się zaobserwować proces rozpadu pewnego obiektu, to bilansując tę część energii, która jest emitowana dzięki oddziaływaniom grawitacyjnym, powinniśmy zaobserwować odstępstwo od przypadku 4-wymiarowego. Przypuszczalnym doświadczeniem mogącym umożliwić takie pomiary byłoby tworzenie mikroskopijnych czarnych dziur, których parowanie przez promieniowanie Hawkingamogłoby zostać zaobserwowane w laboratorium. Sam proces tworzenia takich obiektów jak mikroskopijne czarne dziury zależy od liczby dostępnych wymiarów i powinien być znacznie łatwiejszy dla przestrzeni ponad 4-wymiarowej.
Renormalizacja
Rozwój fizyki doprowadził do powstania kilku kwantowych teorii pola. Każda z nich daje jednak w odpowiedzi nieskończone wartości parametrów, takich jak ładunki elementarne czy masy cząstek, co czyni te wyniki dyskusyjnymi. Dzięki wynalezieniu matematycznej techniki renormalizacji udało się zrozumieć pochodzenie tych nieskończoności i wyeliminować je dla pewnej klasy modeli. Modele te są nazwane renormalizowalnymi i zalicza się do nich m.in. teorię sił elektromagnetycznych oraz silnych i słabych oddziaływań jądrowych. Techniki kwantowania pól nie dają się jednak zastosować wprost do równań grawitacji wynikających z ogólnej teorii względności, co oznacza, że kwantowa teoria grawitacji musi mieć inną postać niż dzisiejsze teorie. Brak unifikacji wszystkich sił oznacza, że współczesna fizyka nie może poprawnie opisać zjawisk zachodzących w czarnej dziurze albo w chwili Wielkiego Wybuchu.
TEORIA STRUN – potencjalna teoria wszystkiego, przewidująca istnienie strun wielkości 10-31 metrów, z których składają się cząstki elementarne. Obecnie trwają próby doświadczalnego sprawdzenia tej teorii. Pierwotna wersja teorii strun, zwana teorią strun bozonowych, powstała w 1970 roku. Współczesna teoria strun, teoria superstrun z 1984 roku, która uwzględnia supersymetrię (1971 rok). W jednej z wersji teorii superstrun, M-teorii, struny szczególny wypadek dwuwymiarowej p-brany z ogólniejszej M-teorii (1995 roku), czyli 2-brana. Teoria strun przewiduje, że przestrzeń, w której żyjemy, ma co najmniej 10 wymiarów, przy czym trzy wymiary przestrzenne oraz czas są wymiarami otwartymi, natomiast pozostałe wymiary są zakrzywione do rozmiarów subatomowych.
Kontrowersje
Teoria strun nie ma do tej pory dowodów na swą słuszność. Wielu naukowców zarzuca jej brak potwierdzających ją doświadczeń. Philip Anderson twierdzi, że teoria ta jest „pierwszą od setek lat nauką, która uprawiana jest w sposób przed-bacoński, bez żadnej odpowiedniej procedury eksperymentalnej”. Sheldon Lee Glashow twierdzi natomiast ironicznie, że teoria ta jest „absolutnie bezpieczna”, jako że nie ma jakiegokolwiek sposobu by ją zweryfikować i ewentualnie obalić. W 2006 roku Peter Woit napisał krytyczną wobec teorii książkę, w której stara się udowodnić nie tyle fałszywość teorii, co jej absurdalność. W tym samym roku również krytyczną wobec teorii strun książkę napisał Lee Smolin. W 2008 roku minęło 40 lat od narodzin teorii strun. Hipoteza zakładająca,że cząstki elementarne są małymi drgającymi strunami prowadzi do zaskakujących wniosków. Mimo że teoria strun nie znalazła do tej pory poparcia w doświadczeniu, duża część fizyków teoretyków ciągle wierzy, że teoria ta opisuje nasz świat.
Początki teorii strun były bardzo skromne. Dziś wiemy, że cząstki takie jakmezony składają się z dwóch kwarków, (ściślej kwarku i antykwarku), których zachowanie jest opisywane przez tzw. chromodynamikę kwantową. Oddziaływanie między kwarkami ma tę niezwykłą cechę, że im dalej je od siebie odsuniemy, tym staje się ono silniejsze. Pomocna jest tutaj analogia ze sprężyną, gumką recepturką albo struną, która rozciągana przeciwdziała temu siłą tym większą, im bardziej jest rozciągnięta. 40lat temu fizycy próbowali opisać mezony jako bardzo małe wirujące i wibrujące struny. Tak właśnie narodziła się teoria strun.
PRÓBA ROZDZIELENIA KWARKU I ANTYKWARKU: Oddalając od siebie kwark i antykwark dostarczamy energii strunie (pierwsze dwa obrazki), która się tworzy między nimi. Jest to ta struna, którą teoretycy próbowali opisać 40 lat temu w ramach teorii strun. Do dzisiaj twają poszukiwania strunowego opisu oddziaływań kwarków i gluonów motywowane powyższym obrazkiem, na razie nieskuteczne. Gdy energii jest odpowiednio dużo, tworzy się kolejna para kwark – antykwark i dostajemy w rezultacie 2 mezony.
Taki sposób opisu nie działał, m.in. dlatego, że przewidywał cząstki oddziałujące silnie, których nie odkryto w doświadczeniu. Od roku 1973oddziaływania silne tłumaczy się w języku kwarków i gluonów. Okazuje się, że jeden z powodów – nowe cząstki – ze względu na które teorię strun odrzucono jako teorię oddziaływań silnych jest dzisiaj jej główną zaletą. Tak jak różne sposoby drgań struny gitarowej odpowiadają za różne dźwięki, tak różne rodzaje (kwantowych) drgań strun odpowiadają różnym cząstkom. Wśród nich jest tak zwany grawiton – cząstka, która nie opisuje oddziaływań silnych, za to odpowiada za grawitację!
STRUKTURA MATERII WEDŁUG TEORII STRUN:
Czym jest dzisiejsza teoria strun? Okazuje się, że mechanika kwantowa bardzo małych, drgających strun może opisywać różne cząstki i oddziaływania przez co jest naturalną kandydatką na tzw. teorię wszystkiego. Niezwykłą rzeczą w teorii strun jest jej unikalność. Wibrujące struny nie mogą żyć byle gdzie. Okazuje się, że zamiast widocznych 3 potrzebnych jest 9 wymiarów przestrzennych. Interesujące teorie strun żyjące w mniejszej lub większej liczbie wymiarów nie działają jak należy. Dodatkowych 6 wymiarów, jeśli istnieją, jest prawdopodobnie zwiniętych do czegoś bardzo małego, dzięki czemu do tej pory nie zostały zaobserwowane. Redukcja do 4 wymiarów, nazywana kompaktyfikacją, daje opis, który bardzo zależy od właściwości dodatkowych 6 wymiarów. Prowadzi to do tak zwanego landscape’u (krajobrazu), czyli olbrzymiej liczby rozwiązań (czasami pada 10500, czyli o wiele więcej niż np. wszystkich atomów) z których jedno być może odpowiada naszemu Wszechświatowi. Mimo że teorii opisujących struny jest tylko 5, to liczba rozwiązań przez nie opisywanych jest bardzo duża. Ponad 10 lat temu zrozumiano, że 5 teorii strun pojawia się jako szczególne przypadki większej całości nazwanej M-teorią. Teoria strun przewiduje dodatkowe wymiary, nowe cząstki i nie odkrytą do tej pory symetrię natury, tak zwaną supersymetrię. Którekolwiek z tych odkryć byłoby silną wskazówką, że strunowcy są na dobrym tropie. Na razie fizycy niczego lepszego nie wymyślili. Już od trzech dziesięcioleci fizyka cząstek elementarnych znajduje się w sytuacji bez precedensu w historii nauki. Fizyka jest w tym szczęśliwym położeniu, że posiada teorię zwaną Modelem Standardowym, która jest zgodna z wszystkimi pomiarami zrobionymi kiedykolwiek w laboratorium fizyki aż do dnia dzisiejszego. Co więcej, Model Standardowy dostarcza podstaw fizycznych rozwojowi niezwykle skutecznemu modelowi kosmologii, który z niegdyś wielce spekulatywnej dziedziny stał się niesłychanie wyrafinowany tak teoretycznie, jak i empirycznie. Możemy obecnie opisać podstawową fizykę dającego się obserwować wszechświata aż do czasu kiedy liczył sobie jedną trylionową sekundy. Dla większości fizyków jednak sukces Modelu Standardowego może bynajmniej nie być błogosławieństwem. Całe pokolenie fizyków eksperymentalnych próbowało bezskutecznie znaleźć jakąś anomalię empiryczną, która wskazywałaby w kierunku fizyki leżącej poza Modelem Standardowym, a nauka bez anomalii nie bawi. Ciężko pracowali i poczynili ważne, nowe odkrycia, takie jak masa neutrino, ale były to raczej dodatki do Modelu niż zmiana paradygmatu. Mimo empirycznego sukcesu Model Standardowy zdecydowanie nie jest kompletną teorią. Przede wszystkim, nie obejmuje zjawisk grawitacji, które od trzech już pokoleń z powodzeniem opisuje teoria względności ogólnej Einsteina. Po drugie, Model Standardowy zawiera ponad dwadzieścia parametrów, takich jak masy większości cząstek i moc sił, które muszą być określone przez eksperyment. Składniki Modelu Standardowego obejmują spektrum cząstek elementarnych — kwarki, leptony i bozony cechowania — oraz matematyczny opis ich wzajemnych oddziaływań. Wszelka znana materia atomowa składa się tylko z trzech cząstek: kwark-u, kwark-d i elektron. Oddziaływanie elektromagnetyczne jest połączone ze słabym oddziaływaniem jądrowym, podczas gdy silne oddziaływanie jądrowe jest oddzielone, ale ma tę samą formę podstawową. Opisują je tak zwane teorie cechowania. Niezmienniczość cechowania czy symetria cechowania jest uogólnieniem koncepcji, że prawa fizyki nie mogą zależeć od żadnego konkretnego punktu widzenia, która to idea datuje się od Kopernika. Wkrótce po rozwinięciu Modelu Standardowego poczyniono wiele prób zastosowania symetrii cechowanej poza Model Standardowy oraz połączenia silnych i elektrosłabych oddziaływań w jednolitą teorię. Nazywano to Teoriami Wielkiej Unifikacji. Najprostsza z tych teorii przewidziała coś bardzo istotnego, co znajdowało się w ramach możliwości eksperymentalnych przy pomocy istniejącej technologii: proton powinien rozpadać się przy średnim czasie życia około 1030 lat. W latach osiemdziesiątych używano olbrzymich zbiorników wysoce oczyszczonej wody umieszczonych głęboko pod ziemią, by zminimalizować promieniowanie kosmiczne, do poszukiwania charakterystycznego światła, które sygnalizowałoby rozpad protonów. Nikt nie zobaczył żadnego sygnału, chociaż niektórzy kontynuowali poszukiwania przy niższej granicy około 1033 lat. Największy z tych ciągnących się eksperymentów, Super-Kamiokande w Japonii, przy którym pracowałem przed przejściem na emeryturę w 2000 roku, poczynił inne ważne odkrycia, a zwłaszcza obserwację z 1998 roku, że neutrino mają masę. Jednak najprostsza Teoria Wielkiej Unifikacji została sfalsyfikowana i nie uczyniła żadnych innych przewidywań dających się przetestować. W tym czasie na ogół porzucono Teorię Wielkiej Unifikacji na rzecz innej koncepcji: teorii superstrun. Wielką atrakcją teorii strun było to, że dostarczała grawitacji naturalnego miejsca i włączała ją we w pełni ujednolicony schemat obiecując, że być może zamieni się w coś, co niektórzy nazwali na wyrost Teorią Wszystkiego. Teoria strun, która obecnie występuje pod ogólniejszą nazwą M-teorii, zdaniem jej miłośników, dokonała całej liczby przełomowych odkryć. Ci z nas, którzy nie są biegli w matematyce, muszą to przyjąć na słowo. Żadna z mnóstwa książek i programów telewizyjnych na ten temat nie daje niespecjaliście pojęcia, czym te przełomowe odkrycia miałyby być. Właściwie jest jedno przełomowe odkrycie, które możemy zrozumieć także my, zwykli śmiertelnicy. Zostało dowiedzione (dużo dowodzi się w teorii strun), że nie ma jednej teorii strun, ale przynajmniej 10500 różnych teorii. W niedawno wydanej książce, The Cosmic Landscape, pionier teorii strun Leonard Susskind przygląda się temu nie z trwogą, ale z zachwytem. Jego zdaniem dostarcza to „krajobrazu” możliwych wszechświatów, które mogą istnieć w rzeczywistości i w ten sposób dać podstawy tak zwanej zasadzie antropicznej, zgodnie z którą nasz wszechświat zawiera dokładnie te wartości stałych fizycznych, jakie są potrzebne do umożliwienia naszego rodzaju życia. Istnieje 10500 wszechświatów i my znajdujemy się w tym, który jest odpowiedni dla nas. Wszystko to jest bardzo podniecające, ale niektórzy fizycy zaczynają tracić cierpliwość — szczególnie na olbrzymie nakłady talentów na tę jedną linię myśli, która jeszcze się nawet nie zbliżyła do dostarczenia jakiejkolwiek dającej się przetestować fizyki, choćby w teorii. W „Physics Today” laureat Nagrody Nobla Burt Richter pisze: „Wiele z tego, co obecnie uchodzi za najbardziej zaawansowaną teorię, wygląda mi bardziej na spekulacje teologiczne”. Wybitni eksperci Lee Smolin w książce The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, The Fall of Science, and What Comes Next oraz Peter Woit w książce Not Even Wrong: The Failure of String Theory and the Search for Unity in Physical Law opisują problemy, jakie widzą z teorią strun i dlaczego ich zdaniem prowadzi ona w ślepy zaułek. Ponadto proponowane są alternatywy na wyjście poza Model Standardowy, chociaż żadna nie może poszczycić się większym sukcesem. Tymczasem niektórzy filozofowie nauki zaczynają rozważać prawdopodobieństwo, że może nigdy nie będzie teorii wszystkiego — a przynajmniej takiej, w której wszystkie fundamentalne zasady i parametry fizyki dadzą się obliczyć z jednej uniwersalnej zasady. Być może taki jest wszechświat, opisany przez modele zachowujące pewne podstawowe symetrie, podczas gdy inne symetrie załamują się spontanicznie. Ten wszechświat wygląda bardzo podobnie do wszechświata, jakiego można by oczekiwać, jeśli powstał z niczego jako produkt symetrii i przypadku.
esencja życia 