Fundamenty fizyki: Może, do cholery, coś wreszcie zacznie się nie zgadzać?

W 1979 r., gdy gniewni młodzi ludzie nosili czuby na czubie wygolonej głowy i słuchali punk rocka, a ci, którzy woleli używać życia, spędzali wieczory w disco w rytmie disco, Nagrodę Nobla z fizyki otrzymało trzech wielkich uczonych: Sheldon Glashow, Abdus Salam i Steven Weinberg. Uhonorowano w ten sposób stworzenie teorii oddziaływań cząstek elementarnych znanej wówczas pod nazwą model Glashowa-Salama-Weinberga, a dziś zwanej po prostu Modelem Standardowym Fizyki Cząstek Elementarnych. (To, że w nazwie teorii pomija się nazwiska jej twórców jest najwyższym wyróżnieniem, jakie może spotkać naukowca. Wszak mówimy o teorii ewolucji czy teorii względności, bo dla wszystkich jasne jest ich powiązanie z Darwinem i Einsteinem).

Najmniejsze odstępstwo mile widziane

Model Standardowy – bo takiej skrótowej nazwy używa się powszechnie – stworzony został na przełomie lat 60. i 70. i jest zapewne jednym z najtrwalszych śladów czasów Flower Power. Powstał – zgodnie z ówczesnym Zeitgeistem – w kontrze wobec panującym wówczas w fizyce teoretycznej trendom i zapoczątkował rewolucję w opisie cząstek elementarnych, narzuciwszy na kolejne pół wieku sposób myślenia o mikroświecie.

Bez popadania w przesadę powiedzieć można, że Model Standardowy jest teorią zbyt dobrą. Niemal pół wieku badań doświadczalnych przy użyciu coraz doskonalszych i potężniejszych generacji akceleratorów cząstek elementarnych nie dostarczyło nam ani jednego odstępstwa od jego przewidywań. W lipcu 2012 r., w akceleratorze LHC zaobserwowano ostatnią, nieznaną jeszcze jego cegiełkę, bozon Higgsa, co natychmiast uhonorowane zostało Nagrodą Nobla. Ta znakomita zgodność z danymi obserwacyjnymi wydawać by się mogła na pierwszy rzut oka, znakomitą wiadomością, ale stanowi ona w rzeczywistości źródło głębokiej frustracji całego pokolenia fizyków zajmujących się teorią cząstek elementarnych.

Jest tak nie tylko dlatego, że z teoretycznego punktu widzenia od samego początku było jasne, że Model Standardowy nie tylko nie może być teorią ostateczną (bo żadna taką nie jest). Przede wszystkim jest on obarczony poważnymi problemami, które wydają się wymuszać pojawienie się nowych zjawisk przy energiach wyższych (na ile wyższych, jest przedmiotem debaty) od tej, którą potrafimy dziś badać doświadczalnie.

Zainwestowaliśmy kilkanaście miliardów Euro w akcelerator LHC w dużym stopniu po to, by tę „nową fizykę” wykraczającą poza ramy Modelu Standardowego odkryć. I nie odkryliśmy. Nie dostaliśmy nawet najmniejszych wskazówek, gdzie jej szukać. Z pewną dozą przesady można stwierdzić, że taki stan rzeczy oznaczał kres fizyki cząstek elementarnych: nikt nie wyda kolejnych miliardów na doświadczenia, co do których nie wiadomo nawet zbyt dobrze, co mają zaobserwować i wartości jakich parametrów zmierzyć.

Prawdziwy alarm wyczekiwany

Z tego właśnie powodu fizycy cząstek elementarnych jak kania dżdżu czekają na jakikolwiek wynik obserwacji odbiegający od przewidywań Modelu Standardowego. I – w przeciwieństwie do kilku fałszywych alarmów z przeszłości (czy ktoś pamięta jeszcze neutrina, które zdawały się pędzić prędzej niż światło, jak się po pół roku okazało z powodu niedokręconego kabelka) – tym razem wydaje się, że coś naprawdę jest na rzeczy.

W kwietniu zespół analizujący dane uzyskane w detektorze CDF pracującego w latach 1983–2011 amerykańskiego akceleratora Tevatron doniósł, że zmierzona masa jednej z podstawowych cząstek opisywanych przez Model Standardowy, tzw. cząstki W jest o jedną tysięczną (1/10 procenta) większa od przewidywanej. Konkretnie, nowy pomiar CDF określa masę cząstki W na 80 443,5 ± 9,4 MeV/c², podczas gdy obliczenia wykonane w ramach Modelu Standardowego przewidują jej wartość na 80 357 ± 4[dane] ± 4[teoria] MeV/c². (Pierwsza czwórka określa błąd w naszej znajomości parametrów wejściowych, niezbędnych do wykonania obliczeń, a druga – możliwą niedokładność obliczeń numerycznych).

Ta różnica między teorią a doświadczeniem wydaje się niewielka, ale może wskazywać –nauczeni doświadczeniem fizycy są w swoim entuzjazmie powściągliwi – na istnienie nowej fizyki, poza Modelem Standardowym. Nadzieja teraz w akceleratorze LHC, który właśnie, po kolejnej sesji serwisowej, rozpoczął nową sesję pomiarów. Za rok, dwa wyniki ujrzą światło dzienne i będziemy wiedzieć więcej.

Kciuki mocno zaciskane

Fizycy cząstek elementarnych siedzą więc i czekają. Jeśli rzeczywiście rozbieżność między teorią i doświadczeniem potwierdzi się, fizykę cząstek elementarnych czeka powrót do business as usual i miejsca pracy na dziesięciolecia.

A jeśli nie? Jeśli i tym razem mamy do czynienia z przypadkową anomalią statystyczną. Wtedy rzeczywiście będziemy mieli problem. Bo wyglądać zacznie na to, że dobiegliśmy do wyczerpania możliwości paradygmatu, który napędzał fizyką cząstek elementarnych przez ostatnie pół wieku. Może nowej fizyki po prostu nie ma? Albo przynajmniej – co w sumie na jedno wychodzi – nie jesteśmy i nie będziemy w stanie jej zobaczyć?

Tyle że ta nowa fizyka jest, widzimy ją od lat patrząc w niebo. Wszechświat składa się w 96 proc. z ciemnej materii i ciemnej energii, o których – poza tym, że są – nic nie wiemy. Fizycy próbują od lat opisać je za pomocą modeli podobnych w duchu do Modelu Standardowego – bez powodzenia. Żadnych powszechnie akceptowanej teorii i żadnych mogących je potwierdzić obserwacji. Nieuchronnie pojawia się sugestia, czy może nie czas już na zmianę paradygmatu, na stworzenie nowej teorii mikroświata na podstawach innych niż fundamenty Modelu Standardowego? Czas pokaże. Byleśmy tylko nie musieli za długo czekać.