Fizyka LO Turek
Start
Nauczyciele
Nauczanie
Konkursy
Ciekawostki
Aktualności
Astronomia
Struktura materii
Doświadczenia domowe
Testy z fizyki
Spis treści i wyszukiwarka
Hosted by:
W kręgu fizyki LO Turek
model standardowy
Jaka jest struktura materii?

Model Standardowy doskonale opisuje najmniejsze cząstki i oddziaływania występujące między nimi. Odpowiada na wiele pytań dotyczących struktury i stabilności materii której budulcem są kwarki i leptony występujące w sześciu rodzajach i oddziaływujące ze sobą czterema rodzajami sił. Jednak Model Standardowy nie jest kompletną teorią, ponieważ wciąż nie odpowiada on na wszystkie pytania dotyczące natury wszechświata.
Dlaczego Model Standardowy nie przewiduje wartości mas kwarków i leptonów (na przykład elektronu)?
Dlaczego mamy dwa typy cząstek elementarnych (leptony i kwarki), a nie jeden spełniający wszystkie funkcje?
Czy kwarki i leptony są rzeczywiście elementarne, czy też składają się z jakichś bardziej fundamentalnych obiektów?
Dlaczego są akurat trzy rodziny kwarków i leptonów?
Dlaczego wszechświat zbudowany jest z materii, pomimo ze w mikroświecie tworzeniu nukleonów (składników jąder atomowych) z energii towarzyszy zawsze produkcja identycznej liczby anty-nukleonów? Czy obserwowana asymetria między materią i antymaterią zwana łamaniem parzystości CP jest wystarczająco duża aby objaśnić asymetrie budowy wszechświata?
ślady cząstek
Ślady pozostawione przez zderzenia cząstek tworzą piękne obrazy, lecz dokładne ustalenie co się zdarzyło jest żmudnym badaniem
W jaki sposób wbudować grawitację do Modelu Standardowego? Nie wiemy jak połączyć teorię kwantową z polem grawitacyjnym.
Wiemy, ze ilość materii we wszechświecie jest znacznie większa niż to co możemy zaobserwować poprzez rejestracje promieniowania elektromagnetycznego. Co stanowi niewidzialną, ciemną materię i jeszcze bardziej tajemniczą ciemną energię?
Co prawda wiemy już, że istnieje pole Higgsa i przenoszące to pole bozony Higgsa (cząstki Higgsa) nadające wszystkim cząstkom masę, ale Model Standardowy nie potrafi przewidzieć masy cząstki Higgsa. Masę cząstki Higgsa wyznaczono jedynie doświadczalnie.

Unifikacja teorii oddziaływania

Nic dziwnego, iż od lat teoretycy wymyślają schematy ogólniejszych teorii, mimo że na razie Model Standardowy sprawdza się bardzo dobrze. Fizycy tworzą nowe teorie, które pełniej i lepiej opisywałyby wszystkie oddziaływania i odpowiadałyby na postawione wyżej pytania. Może w końcu powstanie jedna teoria opisująca wszystkie siły łącznie z grawitacją. Taką teorię nazywamy Teorię Wielkiej Unifikacji lub inaczej Teorię Wszystkiego.
Cząstki supersymetrii Poniżej opisujemy kilka najczęściej rozwijanych nowych teorii.

Supersymetria

Najbardziej popularnym rozszerzeniem Modelu Standardowego jest dzisiaj teoria supersymetrii, która łączy ze sobą wszystkie siły (elektromagnetyczne, jądrowe słabe i silne) oprócz siły grawitacji. Próbuje ona wytłumaczyć dlaczego mamy cztery podstawowe oddziaływania o konkretnych wartościach i skąd się biorą wzajemne stosunki mas cząstek. Teoria ta wydaje się bardzo obiecująca i wyjaśniałaby wiele nierozwiązanych zagadnień. Idea supersymetrii, w skrócie SUSY, narodziła się w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia, w wyniku zainteresowania fizyków symetriami obserwowanymi wśród cząstek elementarnych.
W fizyce spotykamy wiele praw związanych z symetriami cząstek i oddziaływań. Dla tych praw nie jest istotne, gdzie jesteśmy, kiedy wykonujemy pomiary, a także, czy spoczywamy, czy poruszamy się względem obserwowanego obiektu. Te symetrie czasoprzestrzenne dają matematyczną podstawę zasadom zachowania energii, pędu i momentu pędu. Opierając się wyłącznie na symetrii, możemy wyprowadzić zależność pomiędzy energią, pędem i masą, co prowadzi między innymi do słynnego wzoru Einsteina E=mc2. Uczeni niejednokrotnie korzystali z symetrii, przewidując nowe zjawiska. Na przykład Paul Dirac w 1930 roku łącząc mechanikę kwantową ze szczególną teorią względności i symetriami czasoprzestrzennymi wywnioskował, że każda cząstka ma swoją antycząstkę o przeciwnym ładunku. Pomysł wydawał się absurdalny, ponieważ wtedy nie znano żadnych antycząstek. Jednak w 1932 roku Anderson zarejestrował w promieniowaniu kosmicznym pozyton czyli antycząstkę elektronu, a później wykryto inne takie cząstki i rozumowanie Diraca było słuszne. Jego teoretyczne argumenty odwołujące się do supersymetrii doprowadziły do nowych odkryć.
Być może historia się powtórzy. Według Supersymetrii wszystkie znane dziś cząstki elementarne, z których składa się zarówno materia (fermiony), jak i kwanty promieniowania we Wszechświecie (bozony), mają swoje bliźniacze kopie (nie chodzi tu o antymaterię). Znane cząstki nie mają odpowiednich własności, by mogły być swoimi partnerami, czyli przewiduje się istnienie nowych cząstek. Model Standardowy ulega rozszerzeniu do Supersymetrycznego Modelu Standardowego. Postulowanych fermionowych partnerów nazywa się fotino, gluino, Wino, Zino, grawitino i higgsino. Bozonowym partnerom dodaje się "s" do ich nazwy: selektron, smion, sneutrino, skwark itp. Rysunek obok przedstawia przykładowe trzy pary supersymetryczne: fotonowi odpowiada fotiono, elektronowi - selektron, a neutrinie - sneutrino. Ale dotąd żadna z tych cząstek nie została odkryta.
ślady cząstek elementarnych Supersymetryczny Model Standardowy wymaga wprowadzenia co najmniej dwóch różnych pól Higgsa. Oddziaływania z tymi polami nadają masę klasycznym cząstkom opisywanych przez Model Standardowy oraz cząstkom superpartnerów. Dwóm polom Higgsa odpowiada pięć bozonów Higgsa, przy czym dwa z nich mają ładunek elektryczny, zaś trzy są go pozbawione.
Cała rodzina miała żyć zgodnie na samym początku Wszechświata, tuż po Wielkim Wybuchu, ale jej supersymetryczna połowa rozpadła się, gdyż Wszechświat się oziębił. Zresztą, kto wie, czy wszystkie supersymetryczne cząstki rozpadły się - być może te, które zostały, stanowią część tzw. ciemnej materii, której obecność przewidują astronomowie.
Czy supersymetria jest teorią prawdziwą okaże się, kiedy odkryjemy choć jedną supersymetryczną cząstkę. Według skomplikowanych obliczeń, energia zderzeń w największych akceleratorach jest już na tyle duża, iż możliwe jest odkrycie tych cząstek, a w szczególności najlżejszej z nich - chargino (bliźniacza cząstka bozonu W).
Cząstek supersymetrycznych szukano w zderzeniach przeciwbieżnych wiązek protonów w akceleratorze LHC laboratorium CERN od listopada 2009 roku do marca 2013. Niestety nie natrafiono na żadną z tych cząstek. Program wykrycia nowych cząstek będzie kontynuowany od marca 2015 roku po ponownym uruchomieniu zmodernizowanego LHC. Uzyskiwane energie cząstek będą dwa razy większe niż dotychczas i naukowcy liczą na nowe odkrycia. Jeśli cząstki supersymetryczne nie zostaną odkryte, teorię supersymetrii trzeba będzie mocno zmodyfikować lub ostatecznie odrzucić.
Na podstawie badań Magnetycznego Spektrometru Alfa (AMS), umieszczonego na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w 2014 roku pojawiły się doniesienia o wykryciu śladów nowych masywnych cząstek ciemnej materii Najprawdopodobniej jest to neutralino, czyli cząsteczka supersymetryczna do neutrino.
LHC
Widok akceleratora LHC w tunelu laboratorium CERN

Teoria wieloświatów

Ostatnio powstały hipotezy, że w wyniku Wielkiego Wybuchu powstał nie jeden Wszechświat, ale mnóstwo różnych wszechświatów, których nie widzimy. Tworzyłyby one wieloświat, z którego tylko nasz świat jest dla nas osiągalny. Wtedy na pytanie "Dlaczego elektron lub inne cząstki mają taką, a nie inną masę?" można odpowiedzieć: "To czysty przypadek. W innych zakątkach wieloświata elektrony oraz pozostałe cząstki mają inne masy, stałe fizyczne takie jak stała grawitacji lub prędkość światła, miały by inne wartości. Te subtelnie dobrane wartości parametrów, które nas zaskakują, to najzwyklejszy zbieg okoliczności. Tylko wszechświaty z odpowiednimi wartościami stałych fizycznych umożliwiają powstanie życia, a więc także fizyków, którzy będą dociekać, dlaczego nie odkryli supersymetrii za pomocą LHC". Być może tak poszukiwana supersymetria po prostu nie istnieje.
Wiadomości o teorii supersymetrii i wieloświatach zmodyfikowano na podstawie artykułu "Supersymetria i kryzys w fizyce" zamieszczonego w numerze 6/2014 czasopisma "Świat Nauki".

ślady cząstek
Symulacja komputerowa torów cząstek w jednym z detektorów LHC
Teoria superstrun

Jest to jedna z teorii opisującej oddziaływania grawitacyjne w bardzo małych skalach przestrzennych. Takie teorie noszą nazwę kwantowej teorii grawitacji.
Teoria superstrun postuluje istnienie mikroskopijnej wielkości obiektów (wielkości 10-33 cm, które można sobie wyobrazić na podobieństwo strun zwiniętych w pętle. Wirują, skręcają się i oscylują nie tylko w czterech znanych wymiarach (trzy przestrzenne i jeden czasowy), ale też w sześciu lub siedmiu dodatkowych, dla człowieka niewidocznych. Przestrzeń naszego Wszechświata byłaby wtedy dziesięcio lub jedenasto wymiarowa. Struny w tej przestrzeni niekiedy wpadają w rezonans i dają czyste tony, które są właśnie przejawem wszystkich znanych sił i cząstek we Wszechświecie.
To pierwsza w dziejach teoria, która obiecuje syntezę wszystkich nam znanych praw fizyki. Łączy ona ze sobą wszystkie oddziaływania łącznie z grwitacją. Jest to więc najbardziej obiecująca kwantowa teoria grawitacji. Czyżby to była tak bardzo poszukiwana "Teoria Wszystkiego". Teoria strun okazuje się piekielnie abstrakcyjna i złożona matematycznie, kiedy przychodzi do konkretnych obliczeń. Ale sama idea jest prosta i piękna. Może dlatego, że mówienie o strunach, podobnie jak o atomach, cząstkach i falach jest tylko sposobem wyobrażenia sobie pojęć abstrakcyjnych, których nigdy nie będziemy w stanie zobaczyć i bezpośrednio doświadczyć.
Dlaczego nowa teoria nie może się obejść bez dziesięciu wymiarów? Dlaczego tych wymiarów nie widzimy? Uczeni tłumaczą, że podczas ewolucji Wszechświata niewidoczne dla nas wymiary musiały się skurczyć. Obecnie niewidoczne wymiary mają być zwinięte w rurki o średnicy miliardy razy mniejszej niż średnica jądra atomu. Istnienie wielu wymiarów pozwala zaś wyjaśnić, dlaczego na co dzień widzimy tak różne przejawy drgania strun - cząstki materii, elektryczność grawitację, promieniotwórczość, ludzi, rośliny itp.
Czy opis Przyrody jako drgających strun i membran w 10 lub 11 wymiarach jest prawdziwy zdecydują przyszłe eksperymenty.
kwantowa grawitacja
Artystyczny obraz zderzenia protonu z antyprotonem
Właśnie takie pytania są motorem działań fizyków, którzy zbudowali w CERN (Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych) nowy akcelerator LHC i obecnie go ulepszają. To właśnie fizyka wysokich energii może dostarczyć kiedyś odpowiedzi na nie.

Teoria pętlowej grawitacji kwantowej

Teoria pętlowej grawitacji kwantowej zakłada, że przestrzeń, podobnie jak materia, także jest złożona z niepodzielnych dalej porcji. Najlepiej sobie wyobrazić, że jest utkana z jednowymiarowych nitek. To trochę jak z tkaniną, z daleka wydaje się gładka, ale z bliska widać sploty włókien. Taka przestrzeń jest niezwykle gęstą tkaniną, przez pole o powierzchni jednego centymetra kwadratowego przechodzi miliardy trylionów trylionów trylionów nitek. Nie tworzą one jakiejś regularnej sieci, biegną we wszystkich możliwych kierunkach W rzeczywistym świecie nie jesteśmy w stanie dostrzec ziarnistości przestrzeni nawet za pomocą najnowocześniejszych mikroskopów i instrumentów badawczych. Ostatnio trwają próby opisu materii w takiej przestrzeni. Na podstawie tej teorii fizycy skonstruowali model powstania i ewolucji Wszechświata.
Jednym z fizyków rozwijających tę teorię jest profesor Jerzy Lewandowski i jego uczniowie, pracujący na Uniwersytecie Warszawskim.

Hipoteza istnienia części składowych kwarków i leptonów

Istnieją hipotezy, że cząstki materii składają się z jeszcze mniejszych składników nazwanych preonami. Do tej pory powstało wiele teorii opartych na różnej liczbie preonów, o różnych parametrach. Niestety doświadczalnie nie wykryto takich cząstek. W najprostrzym modelu kwarki i leptony składają się z dwóch preonów i dwóch ich odpowiednich antycząstek. Każdy kwark i lepton z pierwszej rodziny jest niepowtarzalną kombinacją trzech składników: preonów lub antypreonów. Cząstki przenoszące oddziaływania, czyli bozony składałyby się z sześciu składników (odpowiedniej liczby preonów lub antypreonów). Struktura gluonów byłaby jeszcze bardziej skomplikowana. Teoria ta drugą i trzecią rodzinę cząstek materii interpretuje jako stany wzbudzone cząstek należących do pierwszej rodziny.
Teoria istnienia preonów nie jest sprzeczna z teorią superstrun, ponieważ rozmiary superstrun są o wiele mniejsze niż rozmiary kwarków i leptonów. Jeżeli superstruny istnieją, to raczej tworzą one nie kwarki i leptony, ale preony, prepreony albo nawet preprepreony, zależnie od tego, ilu warstw tworzących "cebulkę" materii jeszcze nie odkryliśmy
Opracowano na podstawie artykułu "Wewnętrzne życie kwarków" zamieszczonym w numerze 12/1012 czasopisma "Świat Nauki".