Czym jest model standardowy?

Naukow­cy lubią porząd­ko­wać rzeczy. Kla­sy­fi­ku­ją każdy zna­le­zio­ny kamień i skru­pu­lat­nie opisują wszyst­kie jego cechy. Fizycy są przy tym bez­wstyd­ny­mi reduk­cjo­ni­sta­mi: roz­bi­ja­ją kamie­nie na mniej­sze odłamki, te odłamki na okruchy, okruchy na okrusz­ki, okrusz­ki na mole­ku­ły, mole­ku­ły na atomy, w końcu atomy na cząstki. Na tym nie koniec! Potem jeszcze roz­pę­dza­ją te cząstki do nie­do­rzecz­nych pręd­ko­ści i roz­kwa­sza­ją, usi­łu­jąc otrzy­mać jeszcze mniej­sze drobinki.

Wszyst­ko po to, aby po stu latach dojść do wniosku, że każdy obiekt – kamie­nie, ziemia, gwiazdy, fusy po kawie – to w zasa­dzie dwa­na­ście cząstek ele­men­tar­nych (tak napraw­dę to trzy, ale o tym potem) wcho­dzą­cych ze sobą w relacje, za pośred­nic­twem czte­rech sił przy­ro­dy, nazy­wa­nych dumnie oddzia­ły­wa­nia­mi pod­sta­wo­wy­mi. Cała nasza fizycz­na rze­czy­wi­stość jest zatem kom­po­zy­cją dosłow­nie paru kwan­to­wych klocków lego.

A ponie­waż, jak już usta­li­li­śmy, naukow­cy odczu­wa­ją dogłęb­ną potrze­bę sys­te­ma­ty­zo­wa­nia wszyst­kie­go, co udaje im się odkryć, spro­wa­dzi­li powyż­sze spo­strze­że­nie do zestawu równań, kilku założeń teo­re­tycz­nych oraz małej, zgrab­nej tabelki.

Nie zdziwię się, jeżeli przy­po­mi­na ci to inną tablicę, która wisi w każdej szkol­nej pra­cow­ni chemicznej. 

Wła­ści­wie to dobry trop, ponie­waż idea stojąca za modelem stan­dar­do­wym ma sporo wspól­ne­go z układem okre­so­wym. W obu przy­pad­kach chodzi o spi­sa­nie klocków budu­ją­cych świat i zro­zu­mie­nie wystę­pu­ją­cych pomię­dzy nimi pra­wi­dło­wo­ści. Tyle tylko, że układ okre­so­wy porząd­ku­je pier­wiast­ki według liczby posia­da­nych pro­to­nów (liczby ato­mo­wej), a model stan­dar­do­wy sze­re­gu­je cząstki ele­men­tar­ne, dzieląc je zależ­nie od masy i innych war­to­ści opi­sy­wa­nych za pomocą liczb kwan­to­wych.

Przy tym model stan­dar­do­wy jest faj­niej­szy, i to z kilku powodów:

1. Dotyczy cząstek a nie pier­wiast­ków che­micz­nych, co oznacza, że ma bar­dziej fun­da­men­tal­ny cha­rak­ter. Cząstki mogą istnieć bez atomów, atomy bez cząstek nie.
2. MS jest znacz­nie krótszy i łatwiej­szy do zapamiętania.
3. Stwo­rzy­li go fizycy, a jak wiadomo fizyka > chemia. (Żartuję! Odłóż­cie te widły i pipety!)
4. MS prze­wi­du­je ist­nie­nie kwarków powab­nych, nato­miast układ okre­so­wy nie zawiera żadnych powab­nych pierwiastków.
5. Odkry­cie nowej cząstki i roz­sze­rze­nie MS wywo­łu­je znacz­nie większe poru­sze­nie niż wypro­du­ko­wa­nie nowego pier­wiast­ka. Pomyśl o tym, jaka feta towa­rzy­szy­ła uchwy­ce­niu bozonu Higgsa!

Skoro kwestie wstępne za sobą, przyj­rzyj­my się tej tabelce nieco bliżej.

Zacznij­my od tego, co jest nam wszyst­kim naj­bliż­sze. Kilka aka­pi­tów wyżej napi­sa­łem, że model stan­dar­do­wy zawiera infor­ma­cje o dwu­na­stu cząst­kach materii (fizycy nazy­wa­ją je fer­mio­na­mi), ale w prak­ty­ce zna­cze­nie mają tylko trzy z pierw­szej kolumny: kwarki górne, kwarki dolne i elek­tro­ny. Te trzy dro­bin­ki, to wszyst­ko czego potrze­ba, żeby ulepić dosłow­nie każdy atom we wszechświecie.

Potrze­bu­jesz tlenu? Oto przepis. Bie­rzesz dwa kwarki górne, doda­jesz jeden kwark dolny i już otrzy­mu­jesz dorodny, dodat­nio nała­do­wa­ny proton. Jeżeli odwró­cisz pro­por­cje i połą­czysz dwa kwarki dolne z jednym górnym, wyjdzie ci podobny pod wzglę­dem masy, ale neu­tral­ny elek­trycz­nie neutron. Następ­nie, mając już gotowe protony i neu­tro­ny, możesz z nich kon­stru­ować wszel­kie jądra atomów – do jądra tlenu należy zebrać 8 pro­to­nów i 8 neu­tro­nów. Po tym wystar­czy dosypać garści ujemnie nała­do­wa­nych elek­tro­nów, które zajmą pozycje wokół jądra i voilà – dosta­jesz ele­ganc­ki, obo­jęt­ny atom tlenu. Dokład­nie taki, jakiego potrze­bu­jesz do oddychania.

Co prawda są jeszcze neu­tri­na, ale one…

…no i pole­cia­ło. Tak to właśnie z nimi jest. Powsta­ją licznie podczas różnych prze­mian jądro­wych i gnają przed siebie na zła­ma­nie karku, igno­ru­jąc prak­tycz­nie każdą prze­szko­dę na swojej drodze. Kiedy czy­ta­łeś ostat­nie zdanie, twoje ciało prze­nik­nę­ły całe tabuny neutrin, mio­ta­nych m.in. przez Słońce. 

Jeżeli właśnie poczu­łeś mro­wie­nie, powi­nie­neś wie­dzieć, że… neu­tri­na nie mają z tym nic wspól­ne­go. Sza­le­nie trudno przy­ła­pać neu­tri­no na wejściu w inte­rak­cję z jakimś atomem.

Ale co z pozo­sta­ły­mi ośmioma cząst­ka­mi materii? Do czego nam one?

Nam? Do niczego. Więk­szość z cząstek powsta­je wyłącz­nie w bardzo wyśru­bo­wa­nych warun­kach i tylko na moment. Dla przy­kła­du: miony stale rodzą się nad naszymi głowami, podczas zderzeń cząstek pro­mie­nio­wa­nia kosmicz­ne­go z mole­ku­ła­mi atmos­fe­ry, ale ulegają roz­pa­do­wi po upływie 1,5 mikro­se­kun­dy. Podob­nie jest z więk­szo­ścią kwarków. Niby potra­fi­my wyko­rzy­stać kwarki dziwne czy powabne do ufor­mo­wa­nia w labo­ra­to­rium kuzynów protonu (w tym potęż­nych cząstek SIGMA), ale mało który prze­ży­wa dłużej niż miliar­do­wa część sekundy.

Zosta­wia­jąc jednak na boku kwestię prak­tycz­ne­go zasto­so­wa­nia tej cząst­ko­wej mena­że­rii, model stan­dar­do­wy w tak­tow­ny sposób próbuje nam coś przekazać…

pssst, wszechświat jest prosty.

Pewnie już zauwa­ży­łeś, że masa fer­mio­nów w tabelce wzrasta z lewej do prawej. Ale jeszcze cie­kaw­sze jest to, że gdy­by­śmy wyjęli tę jedną jedyną wartość, cząstki w poszcze­gól­nych rzędach oka­za­ły­by się identyczne. 

Mion jest ponad 200 razy masyw­niej­szy od elek­tro­nu, a taon sie­dem­na­ście razy masyw­niej­szy od mionu, ale poza tym nic je nie różni. Mamy do czy­nie­nia z trzema gene­ra­cja­mi tego samego rodzaju cząstki.

Nie dość więc, że cząstek materii ist­nie­je zale­d­wie tuzin, to jeszcze osiem z nich stanowi wyłącz­nie cięższe warian­ty elek­tro­nu, neu­tri­na elek­tro­no­we­go, kwarka górnego bądź kwarka dolnego. Tak, wszech­świat jest zaska­ku­ją­co prosty.

Teraz prze­skocz­my na prawą stronę modelu stan­dar­do­we­go, do kate­go­rii nazy­wa­nej bozo­na­mi. Podczas gdy fer­mio­ny można umownie trak­to­wać jak cegieł­ki materii, bozony to bar­dziej pośred­ni­cy w rela­cjach między tymi cegieł­ka­mi. To tacy kwan­to­wi kurie­rzy, dostar­cza­ją­cy cząstce pole­ce­nie, kiedy powinna się zbliżyć, kiedy oddalić, kiedy rozpaść i tak dalej.

W bar­dziej for­mal­nym ujęciu podział na FERMIONY I BOZONY dotyczy spinu cząstki, czyli kwan­to­we­go odpo­wied­ni­ka momentu pędu. Wszyst­kie fer­mio­ny mają spin wyra­ża­ny w ułamku (1÷2), a wszyst­kie bozony spin cał­ko­wi­ty (0, 1, 2). Ma to ogromne zna­cze­nie fizycz­ne, ponie­waż oba rodzaje cząstek pod­le­ga­ją innym reżimom. Dwa fer­mio­ny nie mogą nigdy prze­by­wać w tym samym stanie (posia­dać w tym samym czasie tych samych liczb kwan­to­wych). To właśnie zakaz Pau­lie­go, dzięki któremu powłoki elek­tro­no­we wokół jądra atomu nie przy­po­mi­na­ją indyj­skiej kolei, lecz eks­klu­zyw­ne linie lot­ni­cze, gdzie każdy pasażer posiada rezer­wa­cję na ściśle okre­ślo­ne miejsce. Zakaz ten nie obo­wią­zu­je nato­miast bozonów, które mogą swo­bod­nie przyj­mo­wać ten sam stan i tworzyć takie dzi­wac­twa jak np. kon­den­sat Bosego-Einsteina.

O jednym z bozonów sły­sza­łeś na pewno, nawet jeżeli nie byłeś świa­do­my, że to bozon. Mowa o fotonie – świe­tli­stym i bez­ma­so­wym posłań­cu oddzia­ły­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­ne­go. To naj­po­spo­lit­sza cząstka o nie­zli­czo­nych zasto­so­wa­niach. Bez wymiany fotonów dodat­nio nała­do­wa­ne jądra atomowe nie utrzy­ma­ły­by przy sobie ujemnie nała­do­wa­nych elek­tro­nów. Bez fotonów pro­mie­nio­wa­nia mikro­fa­lo­we­go nie mógłbyś na szybko przy­grzać wczo­raj­szej pizzy. Wresz­cie bez fotonów wpa­da­ją­cych do ludz­kie­go oka, nie zoba­czył­byś tego tekstu.

Pozo­sta­łe oddzia­ły­wa­nia również mają swoich kurie­rów. Silne oddzia­ły­wa­nie jądrowe spaja protony i neu­tro­ny, przy pomocy kle­istych gluonów prze­rzu­ca­nych pomię­dzy kwar­ka­mi. Bez nich w ogóle nie byłoby jąder ato­mo­wych, a więc pod­sta­wy znanej nam materii.

Słabe oddzia­ły­wa­nie jądrowe to z kolei domena wuonów i zetonów (bozonów W i bozonów Z). Pełnią one nie­wdzięcz­ną rolę smut­nych panów mikro­świa­ta, koor­dy­nu­ją­cych rozpady cząstek materii. Bez nich nie byłoby pro­mie­nio­twór­czo­ści, ale też klu­czo­wych prze­mian jądro­wych zasi­la­ją­cych gwiazdy.

Ist­nie­je jeszcze chyba gra­wi­ta­cja, co?

Z tą gra­wi­ta­cją to głupia sprawa… Chociaż wydaje się ona naj­le­piej zba­da­nym oddzia­ły­wa­niem, to fizycy do dziś nie wpadli na ślad jej cząst­ko­we­go nośnika. Dlatego obecna wersja modelu stan­dar­do­we­go nie uwzględ­nia gra­wi­ta­cji, chociaż wielu badaczy pozo­sta­je prze­ko­na­nych, że hipo­te­tycz­ny gra­wi­ton może kiedyś zostać odkryty.

Mamy za to inną ważną cząstkę, zare­je­stro­wa­ną przez Wielki Zder­zacz Hadro­nów latem 2012 roku, a prze­wi­dzia­ną przez model stan­dar­do­wy znacz­nie wcze­śniej. Jedną ze wska­zó­wek dla teo­re­ty­ków był problem, o którym już wspo­mnia­łem: mamy pełno bliź­nia­czych cząstek materii, które z jakie­goś powodu różni wyłącz­nie wartość masy. Kil­ka­dzie­siąt lat temu Robert Brout, Fra­nço­is Englert i Peter Higgs doszli do wniosku, że całą prze­strzeń wypeł­nia dodat­ko­we, nie­zna­ne pole kwan­to­we. To, co inter­pre­tu­je­my jako zja­wi­sko masy, było ich zdaniem wyni­kiem dzia­ła­nia tego pola na zanu­rzo­ne w nim cząstki.

Możesz myśleć o tym polu, jak o rynku w Kra­ko­wie, wypeł­nio­nym chmarą natręt­nych ulot­ka­rzy. Każda cząstka radzi sobie w tych warun­kach na swój sposób. Nie­któ­re (foton, gluon i hipo­te­tycz­ny gra­wi­ton) to zapra­wie­ni w bojach miesz­kań­cy, którzy w ogóle nie zauwa­ża­ją ulot­ka­rzy i śmigają przez centrum z pręd­ko­ścią światła w próżni. Inne (np. elek­tron) zawsze wezmą z litości kilka reklam, co nie­znacz­nie spo­wol­ni ich ruch. Jeszcze inne zbie­ra­ją po kolei każdą ulotkę, rzucają grosika bez­dom­ne­mu, a na koniec wdają się w rozmowę z miłą panią z jakiejś fun­da­cji. Męczą się nie­mi­ło­sier­ne, brnąc przez prze­strzeń z gracją bąbla powie­trza w słoju miodu.

Ten mecha­nizm nada­wa­nia masy został później nazwany mecha­ni­zmem Higgsa, wszech­obec­ne pole polem Higgsa, a kwant tego pola (natręt­ny ulot­karz) bozonem Higgsa. (Media wolą sto­so­wać bar­dziej szo­ku­ją­cy termin boska cząstka. Jego pomy­sło­daw­ca – nobli­sta i autor cudow­nych książek Leon Leder­man – później mocno żałował, że pod­su­nął pisma­kom tę nazwę). Bez higsonu i zja­wi­ska masy, wszech­świat byłby znacz­nie mniej zróż­ni­co­wa­ny, a wszyst­kie cząstki roz­bie­gły­by się w różnych kie­run­kach z pręd­ko­ścią światła.

To wszyst­ko? Loka­to­rzy modelu stan­dar­do­we­go w komplecie?

Model stan­dar­do­wy uważany jest za jedno z naj­więk­szych osią­gnięć XX-wiecz­nej fizyki, pozo­sta­je obecny w każdym pod­ręcz­ni­ku i bardzo pomógł w zebra­niu postrzę­pio­nych skraw­ków wiedzy o materii oraz oddzia­ły­wa­niach. Pomimo to, w śro­do­wi­sku nauko­wym panuje dość zgodna opinia, że jest on… dziu­ra­wy. A przy­naj­mniej niekompletny.

Wiesz już cho­ciaż­by, że model stan­dar­do­wy nie uwzględ­nia nie­szczę­snej gra­wi­ta­cji. Nie­któ­rzy zasta­na­wia­ją się też nad tym, czy bozon Higgsa jest tylko jeden, czy może wystę­pu­je w kilku warian­tach. Podob­nie, wielu fizyków poszu­ku­je kolej­nej wersji neu­tri­na, nazy­wa­ne­go neu­tri­nem ste­ryl­nym. Nie­wy­klu­czo­ne też, że cała “fer­mio­no­wa” część tabelki posiada dodat­ko­wą kolumnę – czwartą gene­ra­cję cząstek, na razie zbyt cięż­kich dla naszych akceleratorów.

Wresz­cie, nie wiadomo, co dalej z ciemną materią, której jest przy­pusz­czal­nie pięć razy więcej od materii “świe­cą­cej” i która kształ­tu­je kosmos w skali galak­tycz­nej. Jej budul­cem mogłaby być nie­zna­na rodzina cząstek. Bardzo masyw­nych, ale nie­od­czu­wa­ją­cych oddzia­ły­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­ne­go, a przez to zupeł­nie nie­wi­dzial­nych. Jeżeli któraś z wielu prób upo­lo­wa­nia ciem­nych cząstek zakoń­czy się w końcu suk­ce­sem, model z całą pew­no­ścią ulegnie zna­czą­cej roz­bu­do­wie albo przebudowie.

Z tych i wielu innych powodów nie możemy czuć się w pełni usa­tys­fak­cjo­no­wa­ni. Jed­no­cze­śnie, samo to, że widzimy te wszyst­kie luki i wiemy z grubsza, czego powin­ni­śmy szukać, już stanowi jakąś wartość. Dzięki wska­zów­kom modelu stan­dar­do­we­go teo­re­ty­cy potra­fi­li prze­wi­dzieć cho­ciaż­by ist­nie­nie kwarków wyso­kich oraz bozonów Higgsa, na wiele lat przed ich detek­cją. Błądząc po nie­zna­nym terenie, wybra­ko­wa­na mapa jest lepsza niż żadna, bo przy­naj­mniej wska­zu­je, czego nie wiemy. 

Kiedy więc następ­nym razem usły­szysz od kogoś narze­ka­nia, że fizyka to same skom­pli­ko­wa­ne rów­na­nia – pamię­taj, że nie ma racji. To również skom­pli­ko­wa­ne tabelki.

A TAK W OGÓLE TO… Nazwa modelu stan­dar­do­we­go powsta­ła samo­rzut­nie, kiedy nikt nie myślał o nadaniu temu wszyst­kie­mu jakie­goś barw­niej­sze­go tytułu. Fizycy lat 70. po prostu odkry­wa­li sobie kolejne cząstki i zależ­no­ści, zauwa­ża­jąc w publi­ka­cjach, że ładnie pasują do prze­wi­dy­wa­nych “stan­dar­dów”. I tak już zostało. Ale nie­któ­rzy badacze nie dają za wygraną. Przy­kła­do­wo nobli­sta Frank Wilczek używa w swoich książ­kach sfor­mu­ło­wa­nia teoria rdzenia. Trzeba przy­znać, brzmi intrygująco.