Model Standardowy to rzecz piękna. Jest to najbardziej rygorystyczna teoria fizyki cząstek elementarnych, niezwykle precyzyjna i dokładna w swoich przewidywaniach. Matematycznie przedstawia 17 elementów składowych przyrody: sześć kwarków, sześć leptonów, cztery cząstki przenoszące siły oraz bozon Higgsa. Są one rządzone przez siły elektromagnetyczne, słabe i silne.
„Na pytanie 'Czym jesteśmy?' Model Standardowy zna odpowiedź” – mówi Saúl Ramos, naukowiec z Narodowego Uniwersytetu Autonomicznego w Meksyku (UNAM). „Mówi nam, że każdy obiekt we wszechświecie nie jest niezależny, i że każda cząstka jest tam z jakiegoś powodu.”
Przez ostatnie 50 lat taki system pozwalał naukowcom zawrzeć fizykę cząstek w jednym równaniu, które wyjaśnia większość tego, co możemy zobaczyć w otaczającym nas świecie.
Mimo wielkiej mocy predykcyjnej Model Standardowy nie odpowiada jednak na pięć kluczowych pytań, dlatego fizycy cząstek elementarnych wiedzą, że ich praca jest daleka od zakończenia.
Dlaczego neutrina mają masę?
Trzy z cząstek Modelu Standardowego to różne rodzaje neutrin. Model Standardowy przewiduje, że, podobnie jak fotony, neutrina nie powinny mieć masy.
Naukowcy odkryli jednak, że te trzy neutrina oscylują, lub przekształcają się w siebie nawzajem, gdy się poruszają. Ten wyczyn jest możliwy tylko dlatego, że neutrina wcale nie są bezmasowe.
„Jeśli użyjemy teorii, które mamy dzisiaj, otrzymamy złą odpowiedź” – mówi André de Gouvêa, profesor z Northwestern University.
Model Standardowy pomylił neutrina, ale dopiero okaże się, jak bardzo. W końcu masy, jakie mają neutrina, są dość małe.
Czy to wszystko, co Model Standardowy przeoczył, czy jest coś więcej, czego nie wiemy o neutrinach? Niektóre wyniki eksperymentów sugerują na przykład, że może istnieć czwarty typ neutrina zwany neutrinem sterylnym, którego jeszcze nie odkryliśmy.
Czym jest ciemna materia?
Naukowcy zdali sobie sprawę, że czegoś im brakuje, gdy zauważyli, że galaktyki obracają się znacznie szybciej niż powinny, bazując na grawitacyjnym przyciąganiu ich widzialnej materii. Wirowały tak szybko, że powinny się rozerwać na strzępy. Coś, czego nie możemy zobaczyć, a co naukowcy nazwali „ciemną materią”, musi nadawać dodatkową masę – a więc i grawitacyjne przyciąganie – tym galaktykom.
Ciemna materia stanowi 27 procent zawartości wszechświata. Nie jest ona jednak uwzględniona w Modelu Standardowym.
Naukowcy szukają sposobów na zbadanie tej tajemniczej materii i zidentyfikowanie jej składników. Jeśli naukowcy byliby w stanie wykazać, że ciemna materia oddziałuje w jakiś sposób z normalną materią, „nadal potrzebowalibyśmy nowego modelu, ale oznaczałoby to, że nowy model i Model Standardowy są połączone” – mówi Andrea Albert, naukowiec z Laboratorium Narodowego SLAC Departamentu Energii USA, który bada ciemną materię między innymi w Wysokościowym Wodnym Obserwatorium Czerenkowa w Meksyku. „To byłby ogromny game changer”.
Dlaczego we wszechświecie jest tak dużo materii?
Kiedy powstaje cząstka materii – na przykład w zderzeniu cząstek w Wielkim Zderzaczu Hadronów lub w rozpadzie innej cząstki – zwykle jej odpowiednik w postaci antymaterii dołącza do przejażdżki. Kiedy jednakowe cząstki materii i antymaterii spotykają się, anihilują się nawzajem.
Naukowcy przypuszczają, że kiedy wszechświat został uformowany w Wielkim Wybuchu, materia i antymateria powinny były powstać w równych częściach. Jednak jakiś mechanizm uchronił materię i antymaterię przed ich zwyczajowym schematem całkowitego zniszczenia, a wszechświat wokół nas jest zdominowany przez materię.
Model Standardowy nie potrafi wyjaśnić tej nierównowagi. Wiele różnych eksperymentów bada materię i antymaterię w poszukiwaniu wskazówek, co przechyliło szalę.
Dlaczego ekspansja wszechświata przyspiesza?
Zanim naukowcy byli w stanie zmierzyć ekspansję naszego wszechświata, przypuszczali, że rozpoczęła się ona szybko po Wielkim Wybuchu, a następnie, z czasem, zaczęła zwalniać. Szokiem było więc, że ekspansja wszechświata nie tylko nie zwalnia, ale wręcz przyspiesza.
Najnowsze pomiary dokonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a oraz obserwatorium Europejskiej Agencji Kosmicznej Gaia wskazują, że galaktyki oddalają się od nas z prędkością 45 mil na sekundę. Prędkość ta wzrasta dla każdego dodatkowego megaparseków, czyli odległości 3,2 miliona lat świetlnych od naszej pozycji.
Uważa się, że tempo to pochodzi z niewyjaśnionej właściwości czasoprzestrzeni zwanej ciemną energią, która rozpycha wszechświat. Uważa się, że stanowi ona około 68 procent energii we wszechświecie. „To jest coś bardzo fundamentalnego, czego nikt nie mógł przewidzieć, patrząc tylko na Model Standardowy” – mówi de Gouvêa.
Czy istnieje cząstka związana z siłą grawitacji?
Model Standardowy nie został zaprojektowany do wyjaśnienia grawitacji. Ta czwarta i najsłabsza siła natury nie wydaje się mieć żadnego wpływu na subatomowe interakcje, które Model Standardowy wyjaśnia.
Jednak fizycy teoretyczni uważają, że subatomowa cząstka zwana grawitonem może przenosić siłę grawitacji w taki sam sposób, w jaki cząstki zwane fotonami przenoszą siłę elektromagnetyczną.
„Po tym jak istnienie fal grawitacyjnych zostało potwierdzone przez LIGO, zadajemy sobie teraz pytanie: Jaka jest najmniejsza możliwa fala grawitacyjna? To tak jak pytanie o to, czym jest grawiton” – mówi Alberto Güijosa, profesor w Instytucie Nauk Jądrowych UNAM.
Więcej do odkrycia
Te pięć tajemnic to wielkie pytania fizyki XXI wieku, twierdzi Ramos. Jednak, jak twierdzi, istnieją jeszcze bardziej fundamentalne zagadki: Co jest źródłem geometrii czasoprzestrzeni? Skąd cząstki biorą swój spin? Dlaczego siła silna jest tak silna, a słaba tak słaba?
Jeszcze wiele pozostaje do zbadania, mówi Güijosa. „Nawet gdybyśmy mieli ostateczną i doskonałą teorię wszystkiego w naszych rękach, nadal będziemy przeprowadzać eksperymenty w różnych sytuacjach, aby przesunąć jej granice.”
„To bardzo klasyczny przykład metody naukowej w działaniu” – mówi Albert. „Z każdą odpowiedzią przychodzą kolejne pytania; nic nigdy nie jest skończone.”