Znaleźli boską cząstkę. I co teraz?

Grawiton, neutralino, wino, „niecząstka" i cząstka-kameleon – brzmi dziwnie? Nie dla fizyków, którzy po odkryciu bozonu Higgsa w LHC (Wielki m Zderzaczu Hadronów) pod Genewą poszukują dowodów potwierdzających egzotyczne teorie budowy materii.

Po sukcesie zespołu Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) niektórzy fizycy byli raczej rozczarowani niż usatysfakcjonowani: – Wciąż poruszamy się w ramach tzw. modelu standardowego cząstek. Bozon Higgsa jest ostatnią brakującą cegiełką w tym modelu. Powstaje jednak pytanie, w którym momencie ta teoria przestanie się stosować, bo wiadomo, że kiedyś musi. To, co byłoby naprawdę bardzo ciekawe, to zobaczyć zjawiska przewidywane przez teorie wychodzące poza Model Standardowy – mówiła w wywiadzie dla „Rz" prof. Agnieszka Zalewska, przewodnicząca rady CERN. – Może uda się zaobserwować w LHC jakieś odstępstwo od tej teorii, ale na to potrzeba większej ilości danych. Najsympatyczniej byłoby znaleźć jakieś nowe cząstki.

Rozpaleni badacze

Wielu fizyków nadzieję na odkrycie ukrytych cząstek czyhających we wszechświecie wiąże z przebudową LHC. Rozpoczęła się w lutym i potrwa do końca 2014 roku. Po przebudowie cząstki zderzane w LHC mają osiągnąć niespotykaną dotychczas energię.

Przez najbliższe prawie dwa lata inżynierowie zastąpią, sprawdzą i ewentualnie wzmocnią połączenia elektryczne i wymienią część magnesów, które są wykorzystywane do zginania wiązki zderzanych cząstek.

Zobacz grafikę w dużym rozmiarze

– Ostatnie dwa lata były dla fizyki cząstek najbardziej ekscytujące – powiedziała dr Pippa Wells, stojąca na czele eksperymentu ATLAS (analizującego wyniki zderzeń rozpędzonych cząstek). – Ludzie z zespołu są rozpaleni. Dokonali jednego odkrycia i chcą dalszych. Wyższa energia zderzeń być może pozwoli nam otworzyć nową dziedzinę fizyki cząstek.

Co to może być? Jeśli teoria zwana supersymetrią jest prawdziwa, na odkrycie może oczekiwać jeszcze co najmniej kilkanaście nieznanych dziś cząstek. Teoria ta mówi, że każda cząstka, która ma pełny spin w Modelu Standardowym, ma także ukryty supersymetryczny odpowiednik. Tak więc alter ego cząstki Higgsa byłoby higgissino, a bozonu Z – bozino. Cząstka o nazwie wino będzie odpowiednikiem bozonu W.

– Ku rozpaczy zwolenników supersymetrii LHC dotąd nie znalazł żadnych śladów tych nieuchwytnych cząstek – co sugeruje, że jest mało prawdopodobne, że istnieją – uważa dr Peter Woit z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku.

Na przykład w 2012 roku fizycy odkryli egzotyczną cząstkę należącą do mezonów (para kwark–antykwark).

Choć taki mezon nie istnieje na Ziemi, ale może zaistnieć przelotnie po zderzeniu dwóch protonów. Niestety, naukowcy uznali, że cząstka ta pasuje do Modelu Standardowego, co oznacza, że supersymetryczne cząstki, jeśli rzeczywiście istnieją, musiałaby być znacznie cięższe, niż dotąd przewidywali fizycy. Słabością całej teorii – ale chyba stymulującą dla naukowców – jest ogólne nikłe wyobrażenie o parametrach, jakie miałyby mieć nieznane dotąd cząstki.

Jedna teoria

Teoria supersymetrii przewiduje także istnienie specjalnych cząstek zwanych neutralino, pozbawionych ładunku. Neutralino – według teorii supersymetrycznej – powstało dzięki mieszaninie wszystkich cząstek niosących oddziaływania z wyjątkiem gluonów. Tajemnicze cząstki wyjaśniałyby powstanie zagadkowej ciemnej materii, która stanowi większość materii we wszechświecie. Choć nigdy dotąd nikt jej nie zaobserwował, badacze są zgodni, że nieznana siła utrzymuje cały kosmos w kształcie, jaki znamy.

Swoje istnienie ciemna materia zdradza jedynie poprzez oddziaływania grawitacyjne: dlatego świecące galaktyki i gwiazdy zbudowane ze znanej nam materii gromadzą się wokół węzłów tej ciemnej, niewidocznej.

Dowody  na jej istnienie – inne niż oddziaływanie grawitacyjne – są od dawna poszukiwane. Na tej drodze fizycy odnotowali już jeden sukces:  detektor cząstek AMS na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej znalazł ślady ciemnej materii. Pisaliśmy o tym w piątkowym wydaniu „Rz".

Zmartwieniem  fizyków od czasów Alberta Einsteina jest  stworzenie jednej teorii, która połączyłaby grawitację z  własnościami kwantowymi cząstek.  Doprowadziło to  niektórych fizyków do przekonania o istnieniu egzotycznych cząstek nazwanych grawitonami, które nie mają masy i ładunku, ale przyczyniają się do powstawania fal grawitacyjnych.

W teorii grawitony pociągają materię we wszechświecie, ale są trudne do wykrycia, ponieważ  paradoksalnie słabo oddziałują z materią.

Bezpośrednie wykrywanie tych cząstek przy obecnej technologii  jest niemożliwe. Ale polowanie na ich ślady trwa. W USA działa  instrument LIGO, który pośrednio może ujawnić istnienie grawitonów. W planach są także inne  podobne przyrządy rejestrujące fale grawitacyjne.

Egzotyczne pomysły

Jeszcze bardziej dziwnymi cząstkami, których istnienie naukowcy podejrzewają, są tzw. unparticle. Po polsku można by je nazwać „niecząstkami". Mogą wyrównywać spin na wielkie odległości.  Takie wyrównywanie spinu  w małej skali jest powszechne np. w przypadku elektronów w magnesach i metalach.  Takich cząstek  naukowcy chcą poszukiwać we wnętrzu płaszcza Ziemi, gdzie elektrony są dopasowane do ziemskiego pola magnetycznego.