Loading

Cząstka Higgsa - koniec pewnej historii i co dalej? Stefan Pokorski (Uniwersytet Warszawski)

W 2012 w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek i Oddziaływań Elementarnych (CERN) w Genewie, na akceleratorze zwanym Wielkim Zderzaczem Hadronów (LHC) odkryto nową cząstkę elementarną, zwaną cząstką Higgsa. Stało się to wydarzeniem medialnym- dlaczego?

Oddziaływania elementarne, struktura materii i historia wszechświata to bardzo stare gałęzie fizyki. Współczesne badania są kontynuacją badań prowadzonych na przestrzeni wieków, zawsze na granicy poznania. Fascynująca jest ich ciągłość i ewolucja ich treści. Leżą u podstaw milowych kroków w rozwoju cywilizacji i kultury. Są protoplastą wielu innych działów fizyki.

Izaak Newton skodyfikował oddziaływania grawitacyjne poprzez sformułowanie prawa powszechnego ciążenia i wprowadził pojęcie masy jako miary bezwładności ciała przy zmianie jego ruchu.

Źródło masy pozostało jednak nieznane. Skąd się bierze masa elektronu?

Zaskakujący jest związek między Newtonem a LHC!

Wiek XIX to odkrycie oddziaływań elektromagnetycznych i wprowadzenie pojęcia pola elektromagnetycznego. Nowy rozdział w fizyce oddziaływań elementarnych zapoczątkowany został odkryciem promieniotwórczości naturalnej przez Henri Becquerela i badaniami nad nią prowadzonymi przez Marię Skłodowską- Curie, Piotra Curie i Ernesta Rutherforda na przełomie XIX i XX wieku.

Okazało się, że odkryto dwa nowe typy oddziaływań znanych teraz jako oddziaływania silne i słabe, istniejących tylko na poziomie kwantowym.

Zrozumiano, że pola i cząstki, oddziaływania i materia to różny opis tej samej rzeczywistości fizycznej: oddziaływania zachodzą przez wymianę cząstek!

Po ponad stu latach badań, rozdział otwarty odkryciem promieniotwórczości jest teraz ukończony. Ostatnim brakującym ogniwem była cząstka Higgsa. Rozumiemy oddziaływania elektromagnetyczne, słabe i silne w ramach kwantowej teorii pola zwanej Modelem Standardowym. Opisujemy strukturę materii na skali odległości 0,00000000000000001 mm, nieskończenie daleko poza nasza codzienną intuicją.

Jest to możliwe dzięki temu, że coraz wyższa energia zderzających się cząstek w akceleratorach tłumaczy się na coraz mniejsze odległości.

Odkrycie cząstki Higgsa jest odkryciem fundamentalnym z trzech powodów: potwierdza uniwersalną rolę symetrii jako podstawę do zrozumienia świata kwantowego, wyjaśnia pochodzenie mas cząstek elementarnych i wreszcie po raz kolejny okazuje się, że otaczający nas świat materialny daje się zrozumieć etapami, dzięki przybliżonym prawom fizyki, opisującym pewien zakres zjawisk. Tak było w przypadku teorii Newtona, która jest przybliżeniem teorii względności Einsteina i w przypadku teorii zjawisk elektromagnetycznych, którą dziś rozumiemy jako przybliżenie Modelu Standardowego. I tak zapewne będzie z Modelem Standardowym, który okaże się przybliżeniem jakiejś głębszej teorii.

Istnieją bardzo silne argumenty za tym, że Model Standardowy wymaga uogólnienia. Wskazują na to pewne zagadki teoretyczne w strukturze Modelu Standardowego i, na poziomie empirycznym, obserwacje astrofizyczne.

Oddziaływania elementarne odgrywają zasadniczą rolę w zrozumieniu historii wszechświata. Model Standardowy wyjaśnia wszystko co mogło dziać się we wszechświecie po 0,000000001 sekundy od Wielkiego Wybuchu. Bardzo ważne fakty pozostają jednak niewyjaśnione. Musiały zdarzyć się jeszcze wcześniej, gdy energie zderzających się cząstek były jeszcze wyższe. Potrzebna jest głębsza teoria by je wyjaśnić.

Jesteśmy w punkcie zwrotnym fizyki oddziaływań elementarnych - pewien rozdział jest zamknięty, ale….

Jesteśmy przekonani, że materia ma jeszcze głębszą strukturę. Jak ona wygląda? Jest wiele koncepcji teoretycznych. Świat superymetryczny? Więcej niż trzy wymiary przestrzenne? (Teorie grawitacji Newtona i Einsteina musiałyby być „poprawione”?) Coś innego?

Poszukiwanie uogólnienia Modelu Standardowego jest obecnie głównym wyzwaniem dla fizyki oddziaływań elementarnych, w badaniach doświadczalnych i teoretycznych. Z wielką przyjemnością można podkreślić, że fizycy polscy wnoszą od wielu dekad bardzo ważny i ceniony w świecie wkład do badań nad ostatecznym ukształtowaniem Modelu Standardowego i poszukiwaniem jego rozszerzenia.

Stefan Pokorski jest fizykiem teoretykiem, specjalistą w dziedzinie teorii cząstek i oddziaływań elementarnych.

Jest profesorem w Instytucie Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego, członkiem rzeczywistym Polskiej Akademii Nauk i Polskiej Akademii Umiejętności.

Stworzył warszawską szkołę teorii oddziaływań elementarnych.

Jest autorem 200 publikacji naukowych poświęconych Modelowi Standardowemu i poszukiwaniu jego rozszerzenia. Prace te były cytowanych około 12000 razy. Jest autorem monografii "Gauge Field Theories" (Cambridge University Press, 1987, 2000, 2009). W 2003 otrzymał Medal im. Mariana Smoluchowskiego przyznany przez Polskie Towarzystwo Fizyczne. W 2013 wyróżniony Nagrodą Prezesa Rady Ministrów "Za osiągnięcia naukowe lub artystyczne w tym za wybitny dorobek naukowy lub artystyczny". Jest laureatem Nagrody Naukowej Fundacji Alexandra von Humboldta (2004).

25 kwietnia 2020 r. godz. 10:30

Audytorium 0.03 Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Credits:

Photo by Stefan Pokorski, Fermi National Accelerator Laboratory (Fermi Lab)