Masa Baggotta – koniec kultu boskiej cząstki?

22 lipca 2018
Blog szalonych naukowców

Czytałem ostatnio książkę „Masa” Jima Baggotta (nie, nie chodzi o popularnego w mediach świadka koronnego, ale o pojęcie fizyczne, o którym uczyli w szkole).

Spodziewać się można było tego, co po wszystkich tym podobnych popularnonaukowych książkach próbujących wyjaśnić laikowi współczesną fizykę, opowiadających pod różnymi tytułami i z uwzględnieniem najróżniejszych aspektów i ciekawych porównań tą samą historię. Pozytywnie zaskakuje mnie (zaskakuje, bo autor poświęcił wcześniej temu tematowi osobną książkę) dobór treści, zwłaszcza zaś potraktowanie bozonu Higgsa jak każdego innego zagadnienia. Co w tym dziwnego? Właściwie nic. Dziwny był raczej ten zachwyt nad boską cząstką, której poświęcono już niejedną książkę i ukazywano wręcz jako zasadę, na której opiera się świat.

Autor „Masy” wychodzi od filozofów greckich, idzie przez Kanta i jego fenomeny i noumeny, następnie już mamy Newtona, powstanie chemii i dalej omówienie Einsteina. I w końcu omówienie mechaniki kwantowej ze szczególnym uwzględnieniem pojęcia masy. Po każdym rozdziale krótkie podsumowanie w pięciu punktach. Czyta się dobrze. O Higgsie mało – a czy to nie klucz do pojęcia masy?

Książka zwraca uwagę, że masa nie jest już pierwotną właściwością ciał. Nie jest tak, że po prostu ciała mają masę. Ciała fizyczne ją nabywają. A jak? No dobra, trzeba wrócić do Higgsa…

[Poniższy opis będzie z konieczności bardzo uproszczony (osoby znające się na temacie – nie czytać!)]

Jak wiadomo, mamy cztery podstawowe oddziaływania fizyczne. Dawnymi czasy poznano i opisano grawitację (cały czas nie ma opisu zgodnego z opisem innych oddziaływań) oraz oddziaływanie elektromagnetyczne. Żadne z tych oddziaływań nie tłumaczy, czemu nukleony (protony i neutrony) w jądrze trzymają się do kupy (jednoimienne ładunki protonów się przecież odpychają) ani jak zachodzi rozpad β. Potrzeba było dwóch kolejnych oddziaływań: pierwsze z nich nazwano silnym (w końcu potrzeba jakiejś silnej siły, by poskromić nukleony), ostatnie słabym (rozbić atomy – na nasze szczęście – udaje mu się rzadko). Do akcji wzięli się fizycy teoretycy.

Poszukując matematycznego opisu podstawowych oddziaływań, uczeni wykorzystują twierdzenie Emmy Noether. Matematyczka wykazała, że każdej symetrii odpowiada zasada zachowania. Symetrię rozumiemy tu nie w znaczeniu potocznym, że ktoś się przegląda w lustrze, ale szerzej – jako niezmienność równań po zastosowaniu jakiegoś przekształcenia. Zasada zachowania energii wynika w tym ujęciu z niezmienniczości względem czasu (istotnie prawa fizyki jutro będą, mam nadzieję, takie jak dziś), zasada zachowania pędu – z braku zmiany względem przesunięcia w przestrzeni, zasada zachowania momentu pędu – analogicznej niezmienności przy obrocie o kąt.

Jeśli więc analogicznie prawa opisujące oddziaływania będą zachowywały pewne wartości, to w ich opisie matematycznym zawierać się muszą pewne symetrie. Należy więc ograniczyć poszukiwania tylko do hipotez „symetrycznych”. Teoria rodziła się w bólach, ale w końcu się udało. To, co początkowo miało opisywać oddziaływanie silne, okazało się nadawać do opisu oddziaływań słabych. Wszystko pięknie, tylko że równania przewidywały, że cząstki przenoszące oddziaływania nie mają masy.

Dziś dzielimy cząstki elementarne na fermiony (od nazwiska wybitnego włoskiego fizyka Fermiego) i bozony (upamiętniające hinduskiego uczonego Satyendrę Bosego). Różnią się one spinem. Czym jest spin, Baggott nie wyjaśnia, a zdaje się, że chyba nikt tego dobrze nie rozumie. Obrazowo mówi się, że cząstki zachowują się, jakby się obracały wokół osi i miały przez to wewnętrzny moment pędu (obracające się punkty? Co się obraca? Wokół jakiej osi?). Jak z drugiej strony szczegółowo opisuje autor, mechanikę kwantową w ogóle trudno zrozumieć i tworzono rozmaite interpretacje, jak podejść do wynikających z niej absurdów.

No dobra, nikt tego nie rozumie, ale wyniki eksperymentów przewiduje świetnie. Wracając do cząstek: materię budują fermiony, które mają ułamkowy spin i nie może ich być dwóch takich samych w jednym układzie (dlatego elektrony pakują się na kolejnych powłokach i orbitalach, z tego wynika prawie cała chemia, uczą tego w szkołach jako zakaz Pauliego). Bozony o spinie całkowitym przenoszą oddziaływania. Wielką mnogość cząstek uporządkowano, odkrywając, że większość cząstek budują zaliczane do fermionów kwarki, natomiast oddziaływania są przenoszone przez pewien podzbiór bozonów, tzw. bozony cechowania.

A więc odkryto, że oddziaływanie słabe przenoszą trzy bozony cechowania: W+, W-, Z0. Neutron rozpada się na proton? Neutron to dwa kwarki dolne (d, down, o ładunku -1/3) i jeden górny (u, up, o ładunku +2/3), w sumie udd, proton odwrotnie: uud. Kwark d rozpada się na kwark u i bozon W-, który szybko przekształca się w elektron i antyneutrino. Teoria przewiduje, że wszystkie trzy bozony są podobne do fotonu γ, przenoszącego oddziaływania elektromagnetyczne: nic nie ważą, biegną z prędkością światła. Tylko że takie cząstki powinny być łatwo wykrywalne i mieć duży zasięg. Nie mają, bo się szybko się rozpadają. A rozpadają się szybko, bo mają masę. Wszystkie trzy bozony są dość ciężkie.

Co to za problem? Masę można po prostu dodać do równań. Dodano. Otrzymanych w ten sposób równań nikt nie potrafił zrenormalizować. Chodzi o to, że w teorii często otrzymuje się wyniki nieskończone. Nieskończona wychodzi np. energia elektronu, bo oddziałuje on z własnym polem elektromagnetycznym. A rzeczywisty elektron, cokolwiek o nim powiedzieć, nieskończonej energii (a co za tym idzie, masy) nie ma. Ale jak się odejmie nieskończone człony w równaniu opisującym elektron swobodny od tych tyczących się elektronu w atomie, różnica dwóch nieskończoności wychodzi o dziwo nie tylko skończona i sensowna, ale i nawet zgodna z wynikami doświadczeń. Z W+/- się tak nie dało.

Zwrócono uwagę, że cząstka z dużą masą wolno przyspiesza (to jeszcze Newton) – jak mucha w smole. OK, a jakby rzeczywiście była w jakiejś niby-smole? To znaczy jakby coś gęstego ograniczało jej ruchy? Jeśli przestrzeń wypełnia pole, które oddziałuje z cząstkami i spowalnia ich ruchy, co my obserwujemy jako masę? Ale czemu nadaje masę np. cząstce Z, ale nie fotonowi? Bo panująca niegdyś, gdy Wszechświat był bardzo rozgrzany i nietrudno było o wielkie energie, symetria została złamana (tak jak stojący na koniuszku ołówek jest symetryczny, ale ma dużą energię, więc musi rąbnąć w dowolną tak naprawdę, ale jedną stronę – zajdzie spontaniczne złamanie symetrii). Oddziaływanie elektrosłabe rozdzieliło się tak na mniej symetryczne oddziaływania elektromagnetyczne i słabe, przenoszone przez trzy bozony (zmieszanie pierwotnych bozonów z wytworzeniem Z i γ pomińmy). Podobnie jak rzeczone bozony inne cząstki poprzez oddziaływanie z polem Higgsa zyskały masę. Tak więc postulujemy nowe pole: pole Higgsa. Ale w mechanice kwantowej wzbudzeniom pól kwantowych odpowiadają cząstki.

Odkrycie cząstki Higgsa (przynajmniej jednej, bo w niektórych ujęciach jest ich kilka) potwierdziłoby hipotezę – była to ostatnia nieodkryta cząstka Modelu Standardowego. Jej znalezienie nastąpiło w CERN kilkadziesiąt lat po przedstawieniu hipotezy przez kilka zespołów (Higgs nie był jedynym jej pomysłodawcą).

A więc co ta boska cząstka robi? Ano nic nie robi, po prostu jej istnienie wynika z teorii, z istnienia pola nadającego masę cząstkom, w tym kwarkom. Każdy z nukleonów w jądrze atomu, gdzie skupia się prawie cała jego masa, budują trzy kwarki. Masa kwarków pochodzi właśnie z oddziaływań z polem Higgsa. Każdy z trzech kwarków ma… nie, nie jedna trzecia masy protonu czy neutronu. Kwark dolny – 4,8 (w MeV/cc). Kwark górny – 2,3. Proton – 938,3. Neutron – 939,6.

Cóż, gdybym napisał, że lekko się nie zgadza… Całą zabawą z boską cząstką udało nam się wyjaśnić 1 proc. masy protonu i 1,26 proc. masy neutronu. A co z resztą? Prawie cała masa atomu, a więc otaczającej nas materii, wynika z energii pól gluonowych, opisywanych chromodynamiką kwantową. A cóż to za dziwo? A to już sobie Państwo sprawdźcie, choćby na ostatnich stronach „Masy” Baggotta.

Autor nie ma żadnych finansowych ani osobistych powiązań z osobami bądź organizacjami, które mogłyby wpłynąć na treść publikacji.

Ilustracja: Diagram Feynmana przedstawiający rozpad beta-. Exc, Wikimedia Commons, na licencji CC 3.0. Kwark dolny (d) rozpada się na kwark górny (u) i wuon przenoszący ładunek elektromagnetyczny ujemny (bozony przenoszące oddziaływania zaznacza się linią falistą), który, jako ciężki, zaraz rozpada się na elektron i antyneutrino elektronowe.

Bibliografia:

Baggott J: Masa. Od greckich atomów do pól kwantowych. Prószyński i S-ka, Warszawa 2018.