Magiczne cząstki

 Zbigniew Andrzej Nowacki

 Łódź, kwiecień 2012

W tym roku mija 50 lat od chwili, w której fizycy po raz pierwszy odkryli na papierze tzw. boskie cząstki. Niektórzy mają nadzieję, że lada dzień istnienie tych cząstek zostanie potwierdzone doświadczalnie. Byłby to zatem piękny prezent od Natury na jubileusz.

Niestety, Natura nie rozdaje takich prezentów. Jej tajemnice można poznawać tylko poprzez ciężką pracę, w której najbardziej istotne jest opracowanie podstaw teoretycznych. Bowiem bez odpowiedniej teorii fizycy doświadczalni albo nie wiedzą czego szukać, albo szukają niewłaściwych rzeczy. Jednym przykładem jest eter daremnie poszukiwany przez fizyków XIX wieku, innym właśnie boska cząstka. 

Sytuację fizyków można obrazowo opisać w następujący sposób. Załóżmy, że za rogiem ulicy znajduje się przystanek tramwajów i autobusów. Jeśli ulicą idzie duża grupa ludzi (produkty rozpadu), możemy wnioskować, że przyjechał tramwaj (bozon Higgsa) lub autobus (inna cząstka). Ktoś kto nie wie nic o autobusach będzie natomiast twierdził, że przyjechał tramwaj.  To jest właśnie położenie fizyków; oni ponadto nie wiedzą, że na tej linii nigdy tramwajów nie było.

Badając produkty rozpadu fizycy mogą tylko stwierdzić, że w tym przypadku rozpadła się cząstka o określonej masie, elektrycznie obojętna i posiadająca spin oraz liczbę barionową (a także inne liczby kwantowe) równe zero. Ale to wszystko za mało, aby być bozonem Higgsa. Aby uniknąć późniejszego ośmieszenia się, eksperymentatorzy powinni pokazać, że podejrzana o boskość cząstka jest w stanie spełnić swoje zadanie, tj. nadać masę innym cząstkom. Jeśli poprosicie o to fizyków, odpowiedzą prawdopodobnie, że tego nie mogą zrobić. Wtedy spytajcie ich, dlaczego tworzą teorie, których nie można pozytywnie zweryfikować.

W rzeczywistości boskie cząstki nie tylko nie istnieją, ale nawet nie mogą istnieć i nie są do niczego potrzebne. Zamiast nich będziemy w stanie odkrywać cząstki magiczne. Mogą one mieć różne ładunki elektryczne, spiny i liczby barionowe, a ich masy są zawarte w przedziale od 80 do 250 GeV. (Dla porównania: boskie cząstki, gdyby istniały, miałyby masę ok. 200 GeV, jak jeszcze do niedawna twierdzili eksperci.) Skąd biorą się cząstki magiczne, wyjaśnię później. Dla osób znających historię fizyki cząstek elementarnych mogę dodać: To ja je zamówiłem. I jedna z nich jest elektrycznie neutralnym bozonem  rozpadającym się dokładnie tak jak hipotetyczna boska cząstka.

Dziecko Cząstek Elementarnych

Cząstki magiczne prowadzą do ujawnienia chyba największych tajemnic fizyki współczesnej czyli wewnętrznej struktury kwarków oraz źródła pochodzenia wszystkich cząstek elementarnych. Realizuje to tzw. 

Termin 'tinion' pochodzi (w tym kontekście) od angielskiego słowa 'tiny' oznaczającego 'malutki, maleńki', ale po polsku należy go wymawiać tak, jak się pisze. Przyjmujemy, że:

Każda cząstka podstawowa jest, w istocie, jednowymiarowym łańcuchem tinionów.

Cztery tiniony (promienisty, materialny, dziwny i dziki) są najmniejszymi obiektami istniejącymi fizycznie. (W fizyce grają one rolę bitów w informatyce; wszystko składa się z nich i oczywiście ich antycząstek, a ponadto w języku angielskim znaczenia słów 'bit' i 'tiny' są zbliżone.) Stąd właśnie bierze się rzeczywistość kwantowa. 

Poszukiwanie cząstek składowych jest alternatywną (w stosunku do szukania bozonów pośredniczących) metodą rozwoju fizyki. Można to ująć w postaci następującej porady:

Zawsze szukaj fermionów składowych, a wtedy bozony wyskoczą ci same.

Przykładowo, kwarki ujawniły istnienie gluonów. Natomiast hipoteza tinionów prowadzi m.in. do odkrycia tzw. bozonów info.

Swobodne tiniony nie mogą być obserwowane, podobnie jak kwarki. W związku z tym możesz zapytać, czym to jest spowodowane, bo w przypadku kwarków znaczenie mają ich kolory. Czy tiniony mają jakieś całkiem nowe cechy? Nie, w tym przypadku przyroda jest bardziej subtelna. Weź ładunek elektryczny oraz barionowy i zsumuj je dla wszystkich cząstek podstawowych. Może się zdziwisz, ale otrzymasz tylko wartości całkowite, nawet dla kwarków! 

Właśnie w tym tkwi cała tajemnica uwięzienia tinionów. Podobnie jak cząstki o ułamkowym ładunku elektrycznym nie mogą być obserwowane na poziomie subatomowym lub nawet subjądrowym, cząstki o ułamkowym ładunku barioelektrycznym (suma barionowego i elektrycznego), takie jak tiniony, nie mogą być obserwowane nawet wewnątrz protonów, neutronów i innych hadronów.

Przypomnijmy, że po wysunięciu hipotezy kwarków mówiono o wielkiej rewolucji, ponieważ po raz pierwszy pojawiły się ułamkowe ładunki elektryczne. Wprowadzając ułamkowy ładunek barioelektryczny przesuwamy rewolucję o jeden szczebel w dół. W rezultacie jesteśmy w stanie zajrzeć do wnętrza kwarków i innych cząstek podstawowych. 

Oddziaływanie barionowe objawia się tylko wtedy, gdy obie cząstki mają ułamkowy ładunek barioelektryczny. Ta własność pola barionowego wyjaśnia, dlaczego nigdy nie obserwowano jego działania między cząstkami podstawowymi. Natomiast wewnątrz cząstek podstawowych to pole działa z niezwykłą siłą powodując, że nie można ich rozbić.

Nie można również rejestrować resztkowego pola barionowego analogicznego do resztkowej interakcji silnej działającej między nukleonami. Jest tak, ponieważ pole barionowe działa w świecie jednowymiarowym i nie posiada (tak jak pole grawitacyjne) cząstek energetycznych podobnych do gluonów lub fotonów. Zatem pole barionowe można, przynajmniej obecnie, badać tylko analizując zderzenia cząstek podstawowych.

Istnieje możliwość połączenia pola elektromagnetycznego i barionowego w jedno pole. Wystarczy przyjąć (żadne cząstki nie są potrzebne), że nowe pole barioelektryczne działa jak pole barionowe jeśli ładunki barioelektryczne obu cząstek są ułamkowe, a w przeciwnym przypadku jak pole elektromagnetyczne (ładunki barionowe są wtedy ignorowane). Ponadto słabe pole jądrowe jest w istocie szczególnym przypadkiem pola grawitacyjnego, a pole elektrosłabe nie istnieje, ponieważ nie ma cząstek Higgsa. W ten sposób w fizyce mielibyśmy tylko trzy fundamentalne pola: grawitacyjne, silne jądrowe i barioelektryczne.

 Model Wewnętrzny

 Łódź, lipiec 2012

Zdarzyło się kiedyś, że troje brydżystów (dwóch panów i jedna pani, dokładnie mówiąc) chciało zagrać roberka. Musieli więc koniecznie znaleźć czwartego partnera. Akurat ulicą przechodził jakiś włóczęga w połatanym swetrze, który zgodził się im pomóc. Obdartus był trochę zwariowany, bredził coś o wszechwładnej informacji, ale okazało się, że w brydża gra świetnie. Brydżyści rozegrali wspaniałego robra, którego nazwali ŚWIATEM.

Model Wewnętrzny to teoria, która wyjaśnia pochodzenie wszystkich cząstek, bozonów i fermionów, barionów i leptonów, hadronów, kwarków, protonów, mezonów, atomów, elektronów, fotonów, itd. Może być porównany z układem okresowym pierwiastków. W szczególności Model Wewnętrzny wyjaśnia, dlaczego w przyrodzie istnieją dokładnie trzy cząstki podobne do elektronu i różniące się tylko masą. Aktualnie jedynym człowiekiem na Ziemi znającym odpowiedź na to pytanie jest autor tej witryny (niestety, w nauce nie ma demokracji).

Model Wewnętrzny przewiduje istnienie wszystkich dotychczas znanych cząstek oraz szeregu innych, w tym rodziny cząstek magicznych. Nie ma w tym modelu bozonu Higgsa; pojęcie masy jest wyjaśniane w inny sposób. Ostatnio fizycy z ośrodka CERN ogłosili odkrycie nowej cząstki będącej elektrycznie neutralnym bozonem o spinie i liczbie barionowej równych zeru oraz masie ok. 125 GeV. Teraz możliwe są dwa warianty dalszego rozwoju zdarzeń:

1. Nowa cząstka jest bozonem Higgsa. Aby to potwierdzić, eksperymentatorzy muszą koniecznie zademonstrować, że jest ona w stanie nadać masę choćby jednej innej cząstce. I to będzie już koniec ich pracy. Model Standardowy zostanie ukończony, więc akcelerator LHC będzie można rozebrać, a fizycy z CERN będą mogli przejść na zasłużoną emeryturę.

2.  Nowa cząstka jest bozonem magicznym. Aby to potwierdzić, z samym bozonem nie trzeba już nic robić; wystarczy potwierdzić istnienie innych cząstek magicznych. (W szczególności dokładne zbadanie spinu wykrytego bozonu może wykluczyć cząstkę Higgsa na 100%.) LHC i jeszcze potężniejsze akceleratory będą potrzebne, a fizycy będą mieli mnóstwo ciekawej roboty. Będzie się działo!

Niektórzy już twierdzą, że w CERN odkryto bozon Higgsa. Równie dobrze można powiedzieć, że potwierdzono istnienie mojego bozonu. W fizyce cząstek zdarzało się już, że odkrywano coś, co później okazywało się być zupełnie czymś innym. Dlatego radzę Ci, mój drogi Internauto, mówić, że w CERN znaleziono nową cząstkę, a nie bozon Higgsa. Wtedy niezależnie od rozwoju wypadków będziesz mógł powiedzieć, że zawsze mówiłeś prawdę.

Kłopoty z bozonami

 Łódź, listopad 2013

Współczesna fizyka przyjmuje, że oddziaływania między cząstkami polegają na wymianie innych cząstek zwanych bozonami pośredniczącymi. W roku 1935 fizyk japoński Yukawa spróbował zastosować tę koncepcję do mało wówczas znanych sił jądrowych i wyszło mu, że ich bozony powinny mieć masę rzędu 200-300 mas elektronowych. Dwanaście lat później rzeczywiście odkryto bozony (zwane obecnie mezonami p lub pionami) o masie około 270 razy większej niż masa elektronu. Fizycy uznali, że są to właśnie bozony pośredniczące oddziaływań silnych, a Yukawa w roku 1949 otrzymał nagrodę Nobla.

Obecnie wiemy, że wszystko to zdarzyło się przypadkowo. Prawdziwymi bozonami sił jądrowych są cząstki zwane gluonami, ale ich własności są diametralnie różne od przewidywanych przez Yukawa. Fale gluonów (dualizm fala-cząstka wchodzi w grę) przenoszą resztkowe pole silne, trochę tak jak fotony robią to w przypadku pola elektromagnetycznego. (Tworzenie wirtualnych pionów jest teoretycznie możliwe, ale wierzymy, że przyroda wybiera najprostsze metody).

Aktualnie jesteśmy świadkami podobnej historii (z tym, że w tym przypadku od początku nie zgadza się masa). W roku 2012 w ośrodku CERN wykryto bozon, który okrzyknięto długo poszukiwanym bozonem Higgsa. W rzeczywistości fizycy wiedzą o tej cząstce bardzo niewiele; właściwie tylko tyle, że jeśli pominiemy strukturę wewnętrzną, to różni się ona od elektrycznie neutralnego mezonu  p jedynie masą. Można więc przypuszczać, że dalsze dzieje tej cząstki będą identyczne.

Niektórzy fizycy zdają się rozumować następująco: "Nasze teorie są bezwzględnie prawdziwe. Zatem to musi być bozon Higgsa, bo innych cząstek nasze teorie nie przewidują". (I na tej podstawie będą twierdzić, że Model Standardowy został wspaniale potwierdzony we wszystkich doświadczeniach.) Sądzimy, że to rozumowanie powinno być przeprowadzone w drugą stronę, tj. od eksperymentu do teorii, gdyż nie można dowodzić prawdziwości Modelu Standardowego zakładając z góry jego poprawność. (W rzeczywistości wszystkie aktualne teorie fizyków są fałszywe, co postaram się pokazać do końca tej dekady.) Należałoby przynajmniej zbadać doświadczalnie, czy ta cząstka ma jakąś strukturę wewnętrzną (bo jeśli ma, to nie jest higgsonem), a tego nawet nie zaczęto robić.

Wróćmy jeszcze do problemu masy. Jeszcze niedawno fizycy przewidywali, że bozon Higgsa powinien mieć masę ok. 200 GeV, podczas gdy nowoodkryta cząstka ma masę ok. 125 GeV. Jeśli jest to cząstka fundamentalna (tj. bez wewnętrznej struktury), to może być ciężko wytłumaczyć, dlaczego wykryto ją prawie dwadzieścia lat po ostatnim kwarku, który ma większą masę (ok. 170 GeV).

I jeszcze na koniec dobra wiadomość: Projektanci bozonu Higgsa (kwestia jego istnienia w przyrodzie jest tutaj nieistotna) otrzymali właśnie nagrodę Nobla. W dziejach nauki trudno byłoby znaleźć wynalazek bardziej bezużyteczny, ale gratulujemy i mamy nadzieję, że przynajmniej pieniądze z nagrody będą przeznaczone na jakiś zbożny cel.

Wychodzi na moje

 Łódź, styczeń 2019

Do tej pory naukowcy z CERN twierdzili na konferencjach prasowych, że wykryli bozon Higgsa, i zgodnie z Modelem Standardowym nic więcej nie ma. Jednak ostatnio dyrekcja tej instytucji ogłosiła, że będzie budowany nowy zderzacz, znacznie potężniejszy od dotychczasowego. Nie planują chyba wyrzucania pieniędzy w błoto; oni od dawna wiedzą, że Model Standardowy nie jest prawdziwy.

Trzeba przyklasnąć tej inicjatywie; ona jest zgodna z tym, co pisałem wcześniej. Mogę powiedzieć, że ten akcelerator będzie w stanie wykryć cząstki (ja znam już ich własności), które odmienią życie na Ziemi. Na przykład będzie można produkować liczne nowe antybiotyki, o których bakterie nic nie wiedzą, i dlatego nie są na nie odporne. Mogą sie także pojawić skuteczne leki przeciwwirusowe, działające na raka, itd. Natomiast inżynierowie otrzymają do dyspozycji nowe materiały o niezwykłych właściwościach.

Dowiedziałem się niedawno, że już dobrych kilka lat temu fizycy z ośrodka Fermilab odkryli cząstkę o masie ok. 125 GeV i spinie 1. Poszperałem w prasie i znalazłem, że faktycznie; pisały o tym nawet drukowane gazety. Myślę, że znani z profesjonalizmu uczeni amerykańscy nie mogli się pomylić w tej sprawie. To oczywiście oznacza, że Model Standardowy jest fałszywy, a cząstki o tej masie nie mogą być bozonami Higgsa, nawet jeśli mają spin 0. Co więcej, ponieważ odkrycie Fermilabu zaistniało przed rokiem 2012, uczeni z CERN musieli o nim wiedzieć. Wynika stąd, że z premedytacją wprowadzali społeczność fizyków w błąd. (Ktoś musiał zapewnić im ochronę; sami by się na to nie odważyli).

Niektórzy twierdzą, że nowe urządzenie będzie w dalszym ciągu (najwcześniej od roku 2035, fizycy chcą tak długo czekać?) poszukiwać ciemną materię. Przypomnę,  że to było bezowocnie wykonywane przez dziesięć lat przy użyciu starego zderzacza, przez kilkadziesiąt lat w kopalniach i przez kilkanaście lat stosując detektory z płynnym gazem szlachetnym, takim jak ksenon lub argon. Mądrzy ludzie mówią w takich przypadkach, że najprawdopodobniej cała koncepcja jest błędna (i nie tracą pieniędzy oraz czasu na poszukiwania). Tak właśnie jest, i dlatego nowy akcelerator znów nie wykryje ciemnej materii.