Artykuł taki Czytelnikom Delty się jak najbardziej należy także z tego powodu, że 4 lipca 2012 roku zamknął się pewien długi rozdział badań nad oddziaływaniami cząstek elementarnych. Tego dnia ogłoszono odkrycie w eksperymentach prowadzonych w CERN-ie przy akceleratorze LHC rezonansu o masie 125 GeV, którego wszystkie charakterystyki są, w przedziałach osiągniętej dokładności doświadczalnej, takie jak przewidywanego przez teorię tzw. bozonu Higgsa.

Dzięki tym badaniom opracowany został spójny obraz struktury materii na odległościach do i zidentyfikowane zostały jej podstawowe "cegiełki" - punktowe (jak się wydaje), czyli prawdziwie elementarne cząstki Stworzona i przetestowana została teoria oddziaływań fundamentalnych, zwana już od lat Modelem Standardowym. W ramach jednolitej struktury matematycznej opisuje ona trzy znane rodzaje oddziaływań cząstek elementarnych: silne, elektromagnetyczne i słabe (nie uwzględnia tylko oddziaływań grawitacyjnych). Teoria ta opiera się na kilku fundamentalnych ideach fizycznych, które wszystkie w zasadzie zostały sformułowane jeszcze przed powstaniem Delty, w przełomowych dla fizyki wysokich energii latach 1957-1973. Dlatego, aby osadzić we właściwym kontekście odkrycia, jakich dokonywano w fizyce wysokich energii za czasów istnienia Delty, konieczne jest bardziej całościowe ujęcie tematu zadanego mi przez Redakcję. W jakimś sensie prawie wszystko, co zdarzyło się w tej dziedzinie po roku 1974, a dotyczyło formowania się naszego zrozumienia świata cząstek dostępnego badaniom laboratoryjnym, miało charakter potwierdzenia idei teoretycznych sformułowanych w owych przełomowych latach lub nieco wcześniej. Oczywiście, po roku 1974 pojawiło się też wiele nowych idei teoretycznych, niektóre rewolucyjne, o których wspomnę w tym artykule. Trzeba jednak wyraźnie powiedzieć, że na razie żadna z tych idei nie została potwierdzona doświadczalnie i badanie ich konsekwencji oraz szukanie związanych z tymi ideami zjawisk będzie przypuszczalnie jeszcze zadaniem dla dzisiejszych młodych Czytelników Delty.

Aby lepiej zrozumieć, jaką rolę w formowaniu Modelu Standardowego i jego potwierdzaniu spełniły odkrycia dokonane po powstaniu Delty, dobrze jest najpierw pokrótce przedstawić tę teorię. Jak zapewne wszystkim Czytelnikom Delty wiadomo, podstawowymi składnikami materii (przynajmniej, jeśli nie próbujemy wnikać głębiej niż na odległości rzędu m) są kwarki i leptony - punktowe cząstki o spinie równym Jak wszystkie cząstki o spinie połówkowym, zwane fermionami, podlegają one zakazowi Pauliego Grupują się one w trzy rodziny po cztery cząstki każda (zob. ): jeden kwark o ładunku (w jednostkach ), jeden o ładunku lepton o ładunku i elektrycznie obojętne neutrino. I tak, pierwsza rodzina to kwarki dolny i górny oraz elektron i jego neutrino druga to kwarki dziwny i powabny oraz mion i neutrino mionowe i wreszcie trzecia to kwarki piękny i top oraz leptony i Każdy z naładowanych fermionów może być lewo lub prawoskrętny, tj. mieć spin skierowany bądź zgodnie, bądź przeciwnie do kierunku jego pędu. Każdy z nich ma do pary odpowiadającą mu antycząstkę o takim samym spinie i przeciwnym ładunku elektrycznym. Każdy z kwarków to właściwie trzy kwarki różniące się pewną wewnętrzną cechą zwaną kolorem; trzy zaś antykwarki rozróżnia antykolor. Rodzaje kwarków nazywa się zapachami. Odpowiadające sobie cząstki kolejnych rodzin różnią się tylko masą (i z definicji zapachem). Cząstki i ich antycząstki mają takie same masy. Jeśli zaś chodzi o neutrina i antyneutrina, sprawa nie jest wciąż jasna: przez długie lata (kiedy uważano neutrina za bezmasowe) przyjmowano, że istnieją tylko lewoskrętne neutrina i prawoskrętne antyneutrina. Dziś, gdy wiadomo już, że masy neutrin nie są zerowe, bardziej prawdopodobne jest, że to, co dotąd nazywano lewoskrętnym neutrinem i prawoskrętnym antyneutrinem jest po prostu jedną cząstką istotnie obojętną. Szerzej sprawę tę omówię w dalszej części tego artykułu. (Niejasność ta nie ma jednak wpływu na strukturę najważniejszych oddziaływań cząstek).

Uniwersalnym językiem teoretycznym opisu cząstek elementarnych jest relatywistyczna kwantowa teoria pola, według której cząstki są "kwantami", tj. elementarnymi wzbudzeniami pewnych pól. (Zrozumienie tego także jest jednym z ważnych osiągnięć fizyki wysokich energii; był bowiem okres, gdy wydawało się, iż kwantowa teoria pola nie nadaje się do opisu oddziaływań cząstek elementarnych.) Pola w strukturze tej teorii są reprezentowane przez operatory działające na wektory pewnej przestrzeni Hilberta reprezentujące stany układu pól. Operatory te spełniają pewne równania, ale o "fizyce" decydują nie tylko one, lecz także charakter stanu o najniższej energii układu pól (tj. reprezentującego go wektora przestrzeni Hilberta). Stan ten nazywa się próżnią. To ona w dużej mierze determinuje rodzaj elementarnych wzbudzeń układu pól, które utożsamiamy z cząstkami.

W pewnym uproszczeniu kwantowa teoria pola opisuje oddziaływania cząstek jako elementarne akty, w których jedne cząstki znikają, a na ich miejsce powstają inne. Najprostsze oddziaływanie jednej cząstki z drugą polega więc na wymienieniu między nimi trzeciej (wirtualnej, tj. takiej, której energia i pęd nie spełniają relatywistycznego związku ) cząstki. Np. od czasów Diraca, Heisenberga i Pauliego wiadomo, że mający niezerowy ładunek punktowy elektron (fermion o spinie ) może w elementarnym akcie wyemitować lub pochłonąć foton, zmieniając przy tym swoją energię i pęd Każdy taki akt charakteryzuje się pewną stałą sprzężenia, którą w przypadku oddziaływań fotonu jest - ładunek elementarny. W kwantowej teorii pola stała sprzężenia jest miarą prawdopodobieństwa tego, jak "chętnie" cząstka emituje lub pochłania foton - mnoży ona amplitudę takiego zdarzenia. Wyemitowany foton może zostać pochłonięty przez inną naładowaną elektrycznie cząstkę, co w efekcie daje oddziaływanie tych cząstek na odległość, lub zostać zarejestrowany przez detektor (rejestracja przez detektor to też w gruncie rzeczy oddziaływanie fotonu z atomami detektora). Foton - bezmasowa cząstka o spinie - jest więc nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych lub, inaczej mówiąc, bozonem pośredniczącym tych oddziaływań

W podobny sposób nośnikami oddziaływań silnych pomiędzy kwarkami są gluony - bezmasowe bozony o spinie O ile jednak fotony nie niosą ładunku elektrycznego (są elektrycznie obojętne), gluony nie są "kolorowo obojętne": w pewnym uproszczeniu (wbudowana w kwantową teorię pola teoria grup ujmuje to precyzyjnie) gluon ma kolor i antykolor (jest np. czerwono-antyniebieski). W elementarnym akcie oddziaływania wskutek pochłonięcia czerwono-antyniebieskiego gluonu znika kwark (np. lub ) niebieski i powstaje kwark tego samego typu ( lub ), ale czerwony. Charakteryzująca oddziaływania silne stała jest dużo większa niż Ponieważ gluony nie są kolorowo obojętne, możliwe są też oddziaływania gluonów ze sobą.

Opisane wyżej elementarne oddziaływania fotonów z naładowanymi fermionami i gluonów z kolorowymi kwarkami są niechiralne, tj. nie zależą od skrętności: lewo i prawoskrętny fermion oddziałują jednakowo "chętnie".

Oprócz fotonów i gluonów nośnikami oddziaływań są też bozony (antycząstka ) i - masywne (odpowiednio 80 i 91 razy cięższe niż proton) cząstki o spinie Są one nośnikami oddziaływań słabych. Bozony oddziałują ze wszystkimi fermionami (i antyfermionami): w elementarnym akcie fermion emituje lub pochłania nie zmieniając przy tym swojej "tożsamości". Jednak w odróżnieniu od oddziaływań z fotonami czy gluonami oddziaływania z bozonami zależą silnie od skrętności: fermiony lewo- i prawoskrętne oddziałują inaczej. Mówimy wobec tego, że oddziaływania mają nietrywialną strukturę chiralną. Ogólną stałą sprzężenia charakteryzującą oddziaływania bozonów (jest ona modyfikowana jeszcze przez czynniki odróżniające skrętność) jest gdzie kąt jest zwany kątem Weinberga

Najbardziej skomplikowane są oddziaływania bozonów i (oddziałują z nimi wszystkie fermiony i antyfermiony). Po pierwsze, oddziaływania te również w sposób charakterystyczny zależą od skrętności: gdyby masa fermionu była ściśle zerowa (albo gdy jego energia jest na tyle duża, że w porównaniu z nią można jego masę spoczynkową pominąć), z bozonami oddziaływałyby tylko lewoskrętne fermiony i prawoskrętne antyfermiony. Zatem oddziaływania bozonów również mają nietrywialną strukturę chiralną. Chiralny charakter sprzężeń bozonów i do fermionów jest odpowiedzialny za niezachowanie parzystości w procesach słabych (łamanie symetrii względem odbicia lustrzanego, ).

Ponieważ bozony są naładowane, kwark typu dolnego musi, wyemitowawszy bozon (lub pochłonąwszy ), przejść w kwark typu górnego, a elektron w neutrino itp. Oddziaływania bozonów z kwarkami mają także nietrywialną strukturę zapachową: wprawdzie kwark emitując bozon najchętniej przechodzi w kwark może on jednak przejść, trochę mniej chętnie, w kwark powabny a nawet, choć już bardzo niechętnie, w kwark Stałą sprzężenia bozonów do leptonów jest Siła zaś ich oddziaływania z kwarkami jest dodatkowo osłabiana przez czynniki etc. określające, jak "chętnie" kwark przechodzi w kwarki itd. Czynników takich jest, jak łatwo policzyć, 9; razem tworzą one tzw. macierz Cabibbo-Kobayashiego-Maskawy (CKM). Ma ona wyraźnie hierarchiczną strukturę: preferowane są, przy oddziaływaniu z przejścia w obrębie tej samej rodziny (np. w ), zmiana rodziny na sąsiednią (np. w ) jest mniej prawdopodobna, a najrzadsze są przejścia z rodziny pierwszej do trzeciej (np. w ). Okazuje się, że przy trzech rodzinach kwarków fazy elementów macierzy CKM (jako liczb zespolonych) są określone przez tylko jeden parametr - kąt Różna od zera wartość tego kąta jest odpowiedzialna za niezachowywanie w niektórych procesach uwarunkowanych oddziaływaniem słabym parzystości kombinowanej CP

Ponieważ bozony mają ładunek elektryczny, oddziałują one z fotonami (bozon może w elementarnym akcie wyemitować lub pochłonąć jeden lub dwa fotony). Istnieją także oddziaływania z oraz z i fotonem. Podobnie jak leptony, foton, kwarki i gluony, bozony i są, przynajmniej na ile nam dziś wiadomo, cząstkami punktowymi (niezłożonymi).

Ostatnią cząstką niezłożoną (?) jest świeżo zarejestrowany bozon Higgsa - bezspinowa neutralna cząstka o masie Pole, którego jest ona wzbudzeniem, pełni bardzo ważną rolę. Teoria mówi, że wytwarza ono przenikający całą przestrzeń, stały kondensat mający wymiar masy ( analogiczny pod pewnymi względami do kondensatu Bosego-Einsteina (zob. ), za którego doświadczalne badanie Nagrodę Nobla w roku 2001 otrzymali E.A. Cornell, W. Ketterle i C.E. Wieman Występowanie tego kondensatu jest właściwością stanu próżni układu pól kwantowych modelu standardowego. Wszystkie cząstki z wyjątkiem fotonu zmuszone są nieustannie oddziaływać z owym kondensatem, co jest źródłem ich mas (zjawisko zmieniania się masy cząstek wskutek oddziaływań jest dobrze znane z fizyki ciała stałego: elektrony poruszające się w sieci krystalicznej można efektywnie traktować jak cząstki swobodne oddziałujące tylko ze wzbudzeniami sieci - fononami - jeśli przypisze się im masy inne niż masa elektronu w próżni). Poszczególne fermiony sprzęgają się z różną siłą do pola Higgsa i tym samym ich masa jest ściśle proporcjonalna do stałych zwanych stałymi Yukawy, charakteryzujących ich sprzężenia do Pole Higgsa, a tym samym i bozon oddziałuje też z bozonami pośredniczącymi i nadając im niezerowe masy

Chociaż nie możemy wchodzić tu w matematyczne szczegóły kwantowej teorii pola, która jest jedną z najbardziej skomplikowaną z teorii opisujących świat fizyczny, aby umożliwić lepsze zrozumienie struktury modelu standardowego, postaram się jednak krótko przybliżyć zasady, na których się on opiera. Mimo, a może właśnie z powodu wyjątkowego charakteru tego numeru Delty, potraktuję Czytelników poważnie i, nawiązując do motta tego artykułu, postaram się w kolejnych odcinkach pokazać bogactwo struktury teoretycznej ukrytej za prostym fenomenologicznym opisem cząstek i ich oddziaływań. Dopiero wtedy będzie można bowiem w pełni docenić rozwój fizyki wysokich energii w minionym sześćdziesięcioleciu.