Akceleratory i kosmos w fizyce cząstek elementarnych

Referat był próbą opisu stanu fizyki cząstek elementarnych końca lat dziewięćdziesiątych. Najkrócej, znajdujemy się w okresie przełomowym, a najbliższe dekada może zadecydować o przyszłości tej dziedziny wiedzy. Lata dziewięćdziesiąte przyniosły bardzo dokładne sprawdzenie t.zw. modelu standardowego, który, z jednej strony, bardzo dobrze zgadza się z doświadczeniem, a z drugiej nie stanowi, niestety, kompletnej i zamkniętej teorii oddziaływań cząstek elementarnych. Stąd próby wyjścia poza model standardowy (beyong the standard model) czynione przez teoretyków, stanowią dużą część działalności naukowej, niestety pozbawioną dotychczas silnego oparcia w faktach doświadczalnych . W referacie starałem się opisać zarówno model standardowy i jego testy doświadczalne jak i odnieść się do poszukiwań bardziej ogólnej teorii poza modelem standardowym. Wreszcie starałem się opisać następną generację doświadczeń, przygotowywanych obecnie, które zostaną wykonane w ciągu następnej dekady.

Model standardowy i jego testy doświadczalne

Następnie opisałem testy doświadczalne MS dokonywane w ciągu ostatniej dekady w eksperymentach przy akceleratorach LEP w CERNie, SLC w Laboratorium Akceleratora Liniowego Stanforda i Laboratorium Fermiego w Batavii (Illinois, USA) przy energiach w środku masy ok. 90-200 GeV. Precyzja doświadczalna tych testów w sektorze elektrosłabym jest niezwykle wysoka; dla wielu mierzonych wielkości związanych z oddziaływaniami elektrosłabymi osiąga ona od kilu dziesiątych promila do kilku promili. Zgodność danych doświadczalnych z przewidywaniami MS w sektorze elektrosłabym jest znakomita [2]. Zgodność doświadczenia z przewidywaniami QCD nie jest już tak nadzwyczajna; wynika to przede wszystkim z trudności teorii.

Dlaczego MS nie jest teorią ostateczną?

W chwili obecnej nie ma żadnych dowodów doświadczalnych prowadzących do kwestionowania MS jako teorii fizycznej; wszystkie nasze zastrzeżenia co do jego niekompletności mają charakter teoretyczny.

Wielka unifikacja, czy istnieją dowody na istnienie nowej fizyki

• Zagadnienie mas neutrin i próbę zrozumienia dlaczego są one tak małe (rzędu 10-2 eV/c2) w porównaniu np. z masą elektronu, która wynosi 500 keV/ c2. Poprzez mechanizm Higgsa prowadzi to do wniosku, że powinna istnieć skala energii rzędu skali GUT, gdzie MS przechodzi w bardziej uniwersalną teorię [3].
• Dokładne pomiary stałych sprzężenia MS i oparte o równania grupy renormalizacji teoretyczna ekstrapolacje do dużych energii pokazują, że następuje unifikacja oddziaływań przy tej samej skali energii. Okazuje się jednocześnie, że wymaga to teorii supersymetrycznych, czyli , że “ceną” wielkiej unifikacji może być wzbogacenie i skomplikowanie teorii oraz dodanie do widma cząstek obecnie znanych ich supersymetrycznych partnerów. Oznacza to pojawienie się bardzo wielu nowych nieznanych cząstek, być może w zasięgu akceleratorów nowej generacji, które są w budowie. Ma to także niezwykle ciekawe implikacje kosmologiczne – najlżejsze cząstki supersymetryczne mogą być kandydatami na ciemną materię, czyli na duży ułamek masy Wszechświata.

Nowe eksperymenty

Konkluzje

Literatura