Detektor L3 przy zderzaczu LEP w CERN zaobserwował zderzenie elektronu z pozytonem, podczas, którego być może powstała cząstka Higgsa, linie oznaczają tory cząstek

Co decyduje o masach poszczególnych cząstek elementarnych? Co sprawia, że cząstki mają w ogóle masę? Aby rozwiązać ten problem Model Standardowy wprowadza dodatkowe pole zwane polem Higgsa, którego kwantem jest bozon Higgsa, zwany czasami boską cząstką. Nazwa pochodzi od brytyjskiego fizyka Petera Higgsa, który w latach sześćdziesiątych to pole i nową cząstkę wymyślił i wprowadził do teorii. Dzięki oddziaływaniu z polem Higgsa cząstki elementarne mają nabierać masy. Inaczej elektrony, kwarki, neutrina byłyby nieważkie jak kwanty świetlnego promieniowania. Zgodnie z hipotezą mechanizmu Higgsa, przestrzeń jest wypełniona tzw. polem Higgsa, z którym oddziałują wszystkie cząstki. Te rodzaje cząstek, które oddziałują silniej z polem, mają większą masę od tych, które oddziałują słabiej.

Slady cząstek w akceleratorze LHC

Poszukiwania tej cząstki trwały w CERN, przy pomocy akceleratora LEP, w którym przyspieszano do prędkości bliskiej prędkości światła elektrony i pozytony, żeby następnie z maksymalną energią zderzać te cząstki ze sobą. W tych kolizjach produkowane były setki innych cząstek elementarnych, które zostawiają ślady w detektorach. Wśród nich właśnie produktów rozpadu, które mogłyby pochodzić od pojawiającej się cząstki Higgsa. Tuż przed zamknięciem LEP w 2000 roku znaleziono poszlaki wskazujące na pojawienie się bozonu Higgsa przy górnej granicy energii i intensywności wiązek tego urządzenia. Później próbowano uzyskać bozon Higgsa za pomocą Tevatronu, który znajdował się w Fermi National Accelerator Laboratory w Batavii w Stanach Zjednoczonych. Na podstawie doświadczeń ustalono, że masa hipotetycznej cząstki Higgsa zawiera się między 120 a 200 masami protonu. Dopiero oddany do użytku w 2007 roku w CERN akcelerator LHC daje nowe możliwości eksperymentów.
2 lipca 2012 roku ogłoszono wyniki obserwacji w eksperymentach CMS i ATLAS akceleratora LHC, które z bardzo dużym prawdopodobieństwem świadczą o przypadkach zarejestrowania produktów rozpadu cząstki o masie około 134 razy większej od masy protonu. Interpretowane jest jako wystąpienie poszukiwanej cząstki Higgsa. Podobne wyniki zaobserwowano również wcześniej w zamkniętym akceleratorze Tevatron w USA, gdzie pojawiła się cząstka o podobnej masie.

Slady cząstek w akceleratorze LHC

Mimo długiego czasu trwania eksperymentów i przeprowadzenia wielu bilionów zderzeń, nadal zarejestrowano niewiele przypadków, w których obserwowane cząstki, można uważać za produkty rozpadu cząstki Higgsa. Jednak zgodność obu eksperymentów daje mocny dowód na znalezienie cząstki Higgsa. Prawdopodobieństwo pojawienia się takich sygnałów w wyniku przypadkowej fluktuacji statystycznej (przypadkowe, nie dające się przewidzieć, odchylenia od wartości średniej) jest rzędu jednej dziesięciomilionowej.
Dalszym etapem będzie żmudne poszukiwanie innych rozpadów i sprawdzenie przewidywań Modelu Standardowego. Jak na razie wydają się one zgodne z tym modelem i nie ma żadnych wskazówek sugerujących konieczność jego modyfikacji lub uogólnienia. Nikt jednak właściwie nie wątpi, że wcześniej czy później takie wskazówki się pojawią.
To nie koniec badań. Rozszerzenia Modelu Standardowego zakładają istnienie kilku cząstek Higgsa. Na przykład Teoria Supersymetrii, która jest rozszerzeniem Modelu Standardowego prowadza co najmniej pięć bozonów Higgsa. Gdyby okazało się, że cząstek Higgsa jest więcej niż jedna, oznaczałoby to, że teoria jest szersza i obejmuje wiele nieodkrytych cząstek elementarnych. Wśród nich miałyby być cząstki ciemnej materii.

---

W ogólnej teorii wszystkiego obserwowany przez nas Wszechświat to tylko część multiświata, niewykluczone, że w innych rejonach wartość stałych fizycznych jest inna

Do fundamentalnych stałych fizycznych zaliczamy między innymi: prędkość światła c, stałą grawitacji G, masę elektronu m_e, przenikalność elektryczną próżni e_o, stałą Plancka h. Wartości tych stałych wyznaczono doświadczalnie. Jak sama nazwa wskazuje, podstawowe stałe fizyczne powinny być niezmienne w czasie i przestrzeni. Fizycy uważali tak przez prawie całe ostatnie dwustulecie. Pod koniec XX wieku pojawiły się jednak ciekawe teorie fizyczne, które sugerowały, że pewne specyficzne stałe mogły mieć w dalekiej przeszłości wartości nieznacznie inne od obecnych. Poza tym nikomu nie udało się przewidzieć tych wartości ani też wytłumaczyć skąd się biorą. Fizycy nie mają pojęcia, dlaczego są one właśnie takie a nie inne. W miarę postępu badań naukowcy uzmysłowili sobie, że wartości wielu stałych mogą być dziełem przypadku, wynikiem losowych zdarzeń i procesów, jakie zachodziły z udziałem cząstek elementarnych na wczesnym etapie rozwoju Wszechświata. Okazuje się, że najnowsza teoria opisująca oddziaływania - teoria superstrun dopuszcza możliwość 10⁵⁰⁰ kombinacji stałych fizycznych, co jest równoważne możliwości istnienia tylu samych różnych światów. Kosmolodzy więc postulują istnienie wszechświatów równoległych, jako bąble multiświata. Być może w innych bąblach stałe fizyczne przyjmują inną wartość.

Wyniki ostatnich badań sugerują ,że stała struktury subtelnej w pewnych okresach historii Wszechświata nie zmieniała swojej wartości, a w innych rosła

Dlatego ważne jest sprawdzenie czy w przeszłości stałe nie zmieniały się. Problem zaczyna się już od tego, że sama aparatura doświadczalna może być podatna na zmianę stałych. Przyjmujemy, że podstawowe wzorce długości, masy i czasu są ustalone, ale nie eksperymentatorzy nie mogą się na tym opierać, gdy chcą sprawdzić stałość stałych. Muszą się zatem skoncentrować na stałych bezwymiarowych wyrażanych liczbami, które nie zależą od wyboru jednostek. Taką stałą może być stosunek masy protonu do elektronu. Szczególne znaczenie ma stała łącząca prędkość światła, ładunek elektronu, stałą Plancka i przenikalność elektryczną próżni. Ta wielkość obliczana ze wzoru a=e²/(2e_ohc), zwana jest stałą struktury subtelnej. Określa ona relatywistyczne (c) i kwantowe (h) własności oddziaływań cząstek naładowanych elektrycznie (e) w próżni (e_o).
Następnym problemem jest zbudowanie bardzo czułej aparatury oraz wybranie zjawiska które zachodziło bardzo dawno temu bowiem w najbliższej przeszłości wynoszącej pięć miliardów lat nie stwierdzono zmian stałych. Dlatego fizycy postanowili obserwować bardzo odległe kwazary i badać zmiany ich widm (rozłożony obraz ich światła na poszczególne długości fali). Światło zanim dotrze do Ziemi przechodzi przez obłoki gazowe. Gaz pochłania światło o określonej długości fali, dzięki czemu w widmie pojawia się seria czarnych linii absorpcyjnych. Odległości między poszczególnymi liniami można porównać z odległościami zmierzonymi w laboratorium. Ewentualne rozbieżności sugerują, że stała struktury subtelnej miała kiedyś inną wartość.
W ostatnich latach międzynarodowa grupa astronomów i fizyków obserwowała 128 kwarazów odległych od 6 do 12 miliardów lat. Okazało się, że stała struktury subtelnej wzrosła w tym czasie o prawie sześć milionowych. Uczeni postawili wniosek, że stała a w pewnym etapie rozwoju Wszechświata, gdy dominowała materia, ulegała zmianie, a od sześciu miliardów lat, gdy dominuje ciemna energia, już się nie zmienia. Wyniki czekają teraz na potwierdzenie przez inne zespoły lub ich odrzucenie.
Opracowano na podstawie numeru 7/2005 czasopisma "Świat Nauki"

---

Izotop bizmutu-209, który jest białym, kruchym metalem, był dotychczas uznawany za najcięższy z trwałych pierwiastków występujących w przyrodzie. Wprawdzie teorie przewidywały, że powinien się on rozpadać do lżejszego pierwiastka talu, emitując przy tym cząstkę alfa, ale nikomu jeszcze nie udało się tego zaobserwować, choć eksperymenty powtarzano od 1945 roku. Być może sukcesem, tj. wykryciem cząstek alfa, zakończyła się próba podjęta przez zespół Pierre'a de Marcillaca z CNRS i Universitet Paris Sud w Orsay w 2003 roku, o czym poinformowało czasopismo "Nature". Jednak do chwili obecnej odkrycie nie zostało potwierdzone.
Bizmut jest stosowany w łatwo topliwych stopach, w reaktorach jądrowych, a jego sole stosowane są przy produkcji półprzewodników, a także leków i kosmetyków. Nie jest jednak groźny, bowiem jak zmierzyli fizycy, czas połowicznego rozpadu bizmutu (czas po którym ilość próbki maleje do połowy) sięga aż 20 trylionów lat czyli 2x10¹⁹ lat! Jeśli odkrycie zostanie potwierdzone, rolę najcięższego z trwałych (niepromieniotwórczych) pierwiastków w przyrodzie przejmie teraz ołów-208 (który ma tzw. podwójnie magiczną liczbę nukleonów w jądrze - 82 protony i 126 neutronów).

---

Początek wielkiego pęku atmosferycznego

Promieniowanie kosmiczne jest to strumień cząstek docierających do powierzchni Ziemi złożony przede wszystkim z lekkich jąder atomowych (głównie protonów). Nierzadko niosą energię miliony razy większą od tej, którą potrafimy uzyskać w akceleratorach. Nie znamy ich losów podczas trwających miliardy lat wędrówek w przestrzeni kosmicznej, które poprzedzają ich dotarcie do Ziemi. Nie wiemy nawet jakie to pierwiastki. Być może niektóre promieniowanie kosmiczne to ciągle jeszcze pełne tajemnic neutrina. Czy wśród cząstek o największej energii (o takich cząstkach mówimy twarde) są fotony (kwanty gamma, a jeśli tak to ile? W jakich obiektach kosmicznych cząstki uzyskują tak niewiarygodne wielkie energie i w jaki sposób. Promieniowanie kosmiczne mimo usilnych badań pozostaje jedną z najbardziej pasjonujących zagadek astrofizyki. Niestety aby badać skutecznie promieniowanie kosmiczne należałoby w kosmosie umieścić dużą ilość detektorów co jest technicznie niemożliwe. Należy więc zadowolić się badaniem z powierzchni Ziemi.
Jeśli cząstka o wielkiej energii wpadnie w atmosferę Ziemi, następują zderzenia. Inicjuje to poruszających się cząstek obdarzonych ładunkiem (elektronów, protonów i mionów) zwaną wielkim pękiem atmosferycznym promieniowania kosmicznego. Pęki inicjowane przez promieniowanie kosmiczne o najwyższej energii zawierają wiele milionów cząstek. Taka lawina mknie ku powierzchni Ziemi z prędkością bliską światła. Generuje przy tym światło widzialne i jak się ostatnio okazało fale radiowe z szerokiego zakresu częstotliwości.
Promieniowanie kosmiczne zastało odkryte w 1912 roku przez austriackiego fizyka Viktora Hessa, zaś pierwsze pęki zaobserwował francuski fizyk Pierre Auger ze współpracownikami w 1934 roku.
Opracowano na podstawie numeru 10/2005 Świata Nauki.

---

« Poprzednia