Dekada po odkryciu bozonu Higgsa - co dalej? Ten wspaniały, znienawidzony, model stsndardowy
LHC zaczął zbierać dane na temat założonej w teoriach od lata 60. XX wieku cząstki, w 2009 r. Po trzech latach dostrzegły go detektory ATLAS i CMS. Czwartego lipca 2012 r. badacze z CERN, europejskiego laboratorium fizyki cząstek elementarnych, ogłosili sukces długich poszukiwań bozonu Higgsa. Wypełniło to ostatnią lukę (tu są pewne zastrzeżenia) w Modelu Standardowym (MS), najlepszym znanym naszej nauce opisie cząstek i sił, i otworzyło nowe okno badawcze na pole Higgsa, niezbadany dotąd typ oddziaływania nadającego cząstkom masę.
Od tego czasu naukowcy z Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) koło Genewy w Szwajcarii opublikowali prawie 350 artykułów naukowych na temat bozonu Higgsa. W zeszłym roku fizycy z CMS dokonali pierwszego przybliżonego pomiaru czasu życia cząstki Higgsa: 2,1×10–22 sekundy. Wyniki sugerują, że czas życia jest zgodny z Modelem Standardowym.
Mimo dokładnych badań wiele właściwości tej cząstki wciąż pozostaje tajemnicą. Intrygują jego nietypowe właściwości, np. to, że bozon Higgsa jest cząstką zerowym spinie. Wszystkie inne znane cząstki fundamentalne mają spin 1/2 lub 1.
Wszechświat stabilny, ale tylko do pewnego stopnia
W dziesiątą rocznicę odkrycia bozonu Higgsa magazyn "Nature" sprawdził, czego nauczył nas Wszechświecie, a także jakie wielkie pytania pozostają. Oto w skrócie te rozważania:
Fizycy zdają sobie sprawę, że Model Standardowy nie jest kompletny. Załamuje się przy wysokich energiach. Nie umie wyjaśnić ciemnej materii i np. odpowiedzieć, dlaczego we Wszechświecie jest tak mało antymaterii. Fizycy opracowali więc rozszerzenia modelu, które uwzględniają te kwestie. Bozon Higgsa, a właściwie jego masa, niektóre z teorii podważa, ale tak naprawdę niczego nie wyklucza. Freya Blekman, fizyczka cząstek z Niemieckiego Synchrotronu Elektronowego (DESY) w Hamburgu, powiedziała "Nature": "To cząstka, która jest zgodna z mniej więcej wszystkim".
Bozon Higgsa oddziałuje z innymi cząstkami tak, jak przewiduje Model Standardowy. Zgodnie z nim, masa cząstki zależy od tego, jak silnie oddziałuje ona z polem Higgsa. Tempo, w jakim bozony Higgsa rozpadają się na inne cząstki lub są przez nie produkowane, pozwala zmierzyć, jak silnie dana cząstka oddziałuje z polem. Eksperymenty LHC potwierdziły, że przynajmniej dla najcięższych cząstek, produkowanych najczęściej w rozpadach Higgsa, masa jest proporcjonalna do oddziaływania z polem.
Wszechświat oparty na higgsie jest stabilny, ale tylko do pewnego stopnia. Obliczenia wykorzystujące masę bozonu Higgsa sugerują, że Wszechświat może być jedynie tymczasowo stabilny. W przeciwieństwie do innych znanych pól, pole Higgsa ma najniższy stan energetyczny powyżej zera, nawet w próżni, i przenika cały Wszechświat. Wkrótce po tym, jak fizycy odkryli masę bozonu Higgsa, teoretycy dodali przewidywanie istnienia również stanu niższego, bardziej preferowanego. Przejście do tego innego stanu wymagałoby pokonania ogromnej bariery energetycznej, a prawdopodobieństwo, że tak się stanie, jest znikome w skali czasowej życia Wszechświata, z czego powinniśmy się cieszyć, bo istniejemy dzięki metastabilności higgsa.
Do tej pory oddziaływania bozonu Higgsa wydawały się pasować do Modelu Standardowego, ale fizycy widzą, że rozpada się on tylko na najcięższe cząstki materii, takie jak kwark dolny. Chcą teraz sprawdzić, czy oddziałuje on w ten sam sposób z cząstkami z lżejszych rodzin. W 2020 roku CMS i ATLAS zaobserwowały jedną taką interakcję, rzadki rozpad higgsa na kuzyna elektronu drugiej generacji, zwanego mionem1. Fizycy potrzebują więcej danych, aby to potwierdzić.
Skoro bozon Higgsa ma masę, to powinien oddziaływać sam ze sobą. Jednak takie oddziaływania, na przykład rozpad energetycznego bozonu Higgsa na dwa mniej energetyczne, są niezwykle rzadkie, ponieważ wszystkie cząstki biorące w nich udział są ciężkie. ATLAS i CMS być może znajdą wskazówki dotyczące oddziaływań, po planowanej modernizacji LHC w 2026 roku, ale rozstrzygające dowody będą prawdopodobnie wymagały potężniejszego zderzacza. Prawdopodobieństwo samointerakcji zależy od tego, jak zmienia się energia potencjalna pola Higgsa w pobliżu jego minimum, które opisuje warunki tuż po Wielkim Wybuchu. Zatem wiedza o samointerakcji Higgsa może pomóc naukowcom w zrozumieniu dynamiki wczesnego Wszechświata. Wiele teorii, które próbują wyjaśnić, w jaki sposób materia stała się bardziej obfita niż antymateria, wymaga samointerakcji Higgsa, odbiegających od przewidywań MS nawet o 30%.
Odnowiony, potężniejszy, z nowymi zadaniami
Rocznica odkrycia higgsa zbiegła się ze wznowieniem w CERN, europejskim laboratorium fizyki cząstek elementarnych, eksperymentów, po trzyletniej modernizacji. Ten trzeci przebieg lub runda następuje po tych z lat 2009–13 i 2015–18. Wielki Zderzacz Hadronów będzie rozbijał cząstki z najwyższymi jak dotąd energiami. Wiązki krążyły w LHC już od kwietnia 2022 i doszło do kilku testowych zderzeń. Wśród nich są ATLAS i CMS, eksperymenty ogólnego przeznaczenia LHC, zaprojektowane do badania szerokiego zakresu fizyki. O godzinie 16.47 czasu lokalnego 5 lipca fizycy włączyli detektory "na ostro" i zaczęli zbierać pierwsze dane.
Podczas zaplanowanego długiego postoju, który został przedłużony przez pandemię COVID-19, zespół CERN zmodernizował kompleks akceleratora, który generuje i przyspiesza wiązkę cząstek. Obejmowało to zainstalowanie nowego źródła protonów. Bardziej kompaktowe wiązki protonów pozwolą LHC dłużej utrzymywać szczytowe tempo zderzeń, dzięki czemu eksperymenty będą mogły zebrać więcej danych w tym przebiegu niż w dwóch poprzednich razem wziętych. Energia zderzenia wynosząca 13,6 biliona elektronowoltów (TeV), zwiększona z 13 TeV w poprzednim przebiegu, zwiększa prawdopodobieństwo powstania cięższych i nieznanych cząstek.
Fizycy zmodernizowali detektory eksperymentów LHC, ulepszając elektronikę i system obliczeniowy, aby radziły sobie z większą intensywnością zderzeń. W eksperymentach CMS i ATLAS, LHC będzie zderzał wiązki liczące około 100 miliardów protonów z prędkością 40 milionów zderzeń na sekundę. Dwa kolejne duże eksperymenty, LHCb i ALICE, który bada gęstą formę materii, znaną jako plazma kwarkowo-gluonowa, zostały całkowicie przebudowane. Tempo pracy LHCb będzie dziesięć razy większe niż dotychczas, a ALICE ma w planie rejestrowanie 50 razy większej liczby zderzeń niż dotychczas (2).
Fizycy zastosują nowe techniki analizy. Będą też badać listę istniejących anomalii, choćby widoczną preferencję kwarków dolnych do rozpadu na elektrony, a nie na ich cięższych kuzynów, miony, chociaż MS przewiduje mniej więcej równą liczbę obu tych cząstek. Wyjaśnienie anomalii może pomóc fizykom w zrozumieniu zjawisk, których Model Standardowy nie jest w stanie wyjaśnić, np. dysproporcji w występowaniu antymaterii. Fizycy chcą w nowej rundzie sprawdzić z niespotykaną dotąd precyzją uniwersalność smaku leptonu, anomalii Modelu Standardowego (obok masy bozonu W i odbiegającego od przewidywań momentu magnetycznego mionu). Będą też mogli sprawdzić, czy pomiar masy bozonu W dokonany przez Fermilab jest zgodny z przyjętą przez nich wartością, mając do dyspozycji znacznie więcej danych niż Fermilab.
Dyrektorka generalna CERN Fabiola Gianotti powiedziała jeszcze przed rozruchem, że jej marzeniem jest, aby w trzecim przebiegu LHC znalazł cząstki tworzące ciemną materię. Jednak oficjalnie celem eksperymentów nie jest ściganie jakiejś konkretnej teorii, lecz "zrozumienie, jak działa natura, na najbardziej fundamentalnym poziomie".
Wiązka, która zasila wszystkie detektory, startuje z niską intensywnością, więc miną miesiące, zanim pojawi się wystarczająca ilość danych, by można było rozpocząć analizę na poważnie. Fizycy będą musieli przekalibrować eksperymenty do nowej wiązki i sprawdzić, czy odnowione detektory działają zgodnie z oczekiwaniami, zanim dokonają nowych odkryć. LHC będzie działał w trzecim etapie przez cztery lata. Wtedy przyjdzie czas na kolejną modernizację. Do 2029 r. ma powstać wówczas maszyna nazywana High-Luminosity LHC, która w założeniu będzie produkować dziesięć razy więcej danych niż pierwsze trzy etapy LHC razem wzięte.
Oczekiwania i rozczarowania
Ponowne uruchomienie LHC budzi nadzieje i oczekiwania, jednak nastroje wśród fizyków nie są tak optymistyczne jak dekadę temu. Naukowcy mają nadzieję, że wyniki ich badań poprawią obecny teoretyczny opis podstawowych cząstek i ich oddziaływań, Model Standardowy, który jest uważany za niekompletny. Ale oczekiwania te nie są wielkie i ambitne. Wielu uczonych jest rozczarowanych, że LHC nie znalazł jeszcze żadnych wskazówek na istnienie zjawisk sprzecznych z Modelem Standardowym, co mogłoby stanowić krok w kierunku nowej, bardziej kompletnej teorii.
Podstawy MS budowano od lat 50. do 70. ubiegłego wieku. Pomimo swojej dokładności, nie uwzględnia on grawitacji ani ciemnej materii, nie wyjaśnia też przewagi materii nad antymaterią we Wszechświecie ani niektórych aspektów neutrin. W poszukiwaniu odpowiedzi na pytania, na które MS nie odpowiada, fizycy teoretyczni rutynowo wysuwają hipotezy o istnieniu nowych cząstek - niektóre z nich powinny znajdować się w granicach wykrywalności istniejących detektorów.
Jednak LHC, największy akcelerator i zderzacz na świecie, nie wykrył jeszcze żadnej. Są obawy, że cała dziedzina badań popadnie w kłopoty, jeśli LHC nie będzie w stanie ich wykryć. Krytycy twierdzą, że wobec braku ciekawych wyników nierozsądne jest oczekiwanie, że rządy i inni sponsorzy badań znajdą kolejne miliardy dolarów na kolejny wielki zderzacz i będą wspierać poszukiwania na oślep. Zaś bez kolejnego, większego zderzacza sam nurt badań cząstek elementarnych może wyschnąć.
W środowisku fizyków panuje mniej więcej zgodność, że fizyka cząstek elementarnych ma kłopoty. Jednak, w zależności od tego, kogo zapytamy, usłyszymy, że źródło problemów tkwi w czym innym. W Modelu Standardowym jest obecnie tak wiele pęknięć, że być może nadszedł czas, aby odrzucić nasze założenia, których trzymamy się z uporem, i zacząć od nowa. Nie brakuje jednak mniej defetystycznych, bardziej realistycznych opinii, że to nie załamanie fizyki, ale po prostu jest jeszcze wiele do odkrycia poza granicami naszej wiedzy, a wartości nowej wiedzy nie można ocenić, dopóki jej nie znajdziemy.
Diagram cząstek Modelu Standardowego pokazuje fermiony, bozony cechowania i Higgsa oddzielnie w stosunku do obu grup (3). Wszystko, co ma masę, jest sprzężone z higgsem. Jedynymi cząstkami, które są bezmasowe (a więc nie są związane z bozonem Higgsa), są foton i gluony. Jeśli istnieją nowe cząstki, ich sprzężenia mogą ujawnić ich obecność pośrednio, przez precyzyjne pomiary porównujące obserwowane własności cząstek z przewidywanymi przez MS.
Fizyka cząstek ma dwa aspekty, teoretyczny i eksperymentalny. Model Standardowy to przewidywalne ramy opisu cząstek w naszym Wszechświecie, ich właściwości, sposobu oddziaływania i rozpadu oraz tego, czego spodziewamy się po wynikach eksperymentów laboratoryjnych. Istnieje wiele sposobów na przetestowanie Modelu Standardowego. Obecnie za najbardziej efektywny uznawane jest zderzenie dwóch cząstek poruszających się z możliwie największymi równymi sobie i przeciwnymi prędkościami, tyle razy ile się da, a następnie badanie, co z tego wyszło. Mierząc wystarczająco precyzyjnie skutki zderzenia, można zrekonstruować kolejne zdarzenia. Mierząc to, co powstaje w wyniku tych zderzeń i porównując wyniki eksperymentalne z przewidywaniami teoretycznymi, które wynikają zarówno ze scenariuszy opartych na Modelu Standardowym, jak i scenariuszy wykraczających poza MS.
Jeszcze przed pierwszym uruchomieniem LHC odkryliśmy kilka istotnych rys w fasadzie Modelu Standardowego. Odkryliśmy, że neutrina i antyneutrina nie są bezmasowe, raczej mają niezerową masę spoczynkową i oscylują od jednego smaku (elektron, mu, tau) do innych, zwłaszcza gdy oddziałują z materią. Odkryliśmy, że ciemna materia istnieje i wykluczyliśmy cząstki Modelu Standardowego (tak jak opisuje je MS) jako "odpowiedzialne" za nią. 4.
Odkryliśmy przyspieszoną ekspansję Wszechświata, którą przypisujemy nowej formie energii (ciemnej energii), której również nie da się wyjaśnić niczym znanym z MS. Dowiedzieliśmy się, że nie ma naruszenia symetrii ładunkowo-przestrzennej CP w oddziaływaniach silnych, a jedynie w oddziaływaniach słabych, mimo że Model Standardowy dopuszcza oba te oddziaływania. I wreszcie, żyjemy we Wszechświecie zbudowanym głównie z materii, a nie z antymaterii, ale prawa fizyki nie wykazują tyle asymetrii, aby wyjaśnić Wszechświat, w którym zdaje się przeważać zwykła materia.
Sumując, zanim wystartował LHC, wiedzieliśmy, że we Wszechświecie musi być coś więcej, niż wskazywałby na to Model Standardowy. Jednak w zderzaczach cząstek nie było żadnych obserwacji ani wyników pomiarów, które byłyby sprzeczne z przewidywaniami Modelu. LHC weryfikował negatywnie po kolei rozmaite teorie o chwytliwych nazwach jak supersymetria, dodatkowe wymiary, technicolor, supergrawitacja, wielka unifikacja i wszelkie inspirowane teorią strun rozszerzenia Modelu Standardowego, które były modne kilka dekad temu. Nakładano na nie coraz większe ograniczenia. Było kilka fałszywych alarmów, które pojawiły się we wczesnych wynikach LHC, rzekome dowody na "dibozon", "difoton", wszystko to zniknęło wraz z większą ilością danych. Były "dowody" na szybsze niż światło neutrina, które okazały się błędem sprzętowym. Wszystko to wyparowało w miarę napływu większych ilości danych i dokładniejszych analiz.
Nie ma więc żadnych zweryfikowanych dowodów na istnienie jakichkolwiek cząstek, które nie są uwzględnione w Modelu Standardowym, ani na istnienie oddziaływań lub rozpadów, których Model Standardowy nie przewiduje.
Od lat uważa się, że warto zbudować nowy akcelerator, zwiększyć energię siedmio- a nawet dziesięcio-krotnie. Taki skok ma oferować proponowany Future Circular Collider (FCC), który ma być następcą LHC. Perspektywa jego powstania w tej chwili jest nieco mgłą spowita. Tymczasem LHC w ciągu najbliższych 10–15 lat ma zebrać od 40 do 50 razy więcej danych niż od pierwszego uruchomienia w 2008 roku. Dane z LHC, które zebraliśmy i przeanalizowaliśmy do tej pory, stanowią jedynie około 25% wszystkich danych, które LHC zgromadzi w perspektywie tych 15 lat. Można na to spojrzeć więc i tak, że większość tego, co nam ma dać LHC, wciąż jest przed nami.
Mirosław Usidus
