Wstęp

Poznanie najgłębszej struktury Wszechświata, a w szczególności badanie materii i rządzących nią praw podstawowych należało zawsze do głównych zadań fizyki i wytyczało dającą się wyraźnie wyodrębnić jej główną linię rozwoju. Na tej drodze, którą schematycznie można przedstawić jak na diagramie poniżej:

fizyka cząstek i oddziaływań elementarnych stanowi kolejny krok w penetrowaniu zjawisk zachodzących na coraz to mniejszych odległościach.

Często (dość umownie) przyjmuje się, że fizyka cząstek elementarnych wydzieliła się jako oddzielna dyscyplina naukowa wraz z odkryciem mezonu π w końcu lat czterdziestych XX w. Za jej prawdziwy początek trzeba jednak przyjąć odkrycie promieni X w roku 1895 przez W.C. Roentgena, odkrycie pierwszej cząstki elementarnej - elektronu - przez J.J. Thomsona w roku 1897 oraz odkrycie promieniotwórczości naturalnej przez A.H. Becquerela, P. Curie i M. Skłodowską-Curie (lata 1896-1898). Zapoczątkowane tymi odkryciami systematyczne doświadczalne badanie poznawanych stopniowo nowych cząstek materii i ich oddziaływań zachodzących przy coraz wyższych energiach, tj. badanie struktury materii na coraz to mniejszych odległościach, postępowało przez cały wiek XX. Dzięki tym badaniom wiemy obecnie, że najmniejszymi składnikami materii "widzianej" na odległościach rzędu 10^-16cm są kwarki i leptony. Są to cząstki o spinie równym ½, czyli tzw. fermiony. Materia ma następującą strukturę: wszystkie ciała zbudowane są z atomów. Atom zbudowany jest z powłok zapełnionych przez elektrony (leptony) o ujemnym ładunku elektrycznym oraz jądra atomowego. Jądro atomowe ma także strukturę złożoną i zbudowane jest z protonów i neutronów (hadrony) o ładunkach elektrycznych odpowiednio dodatnim i zerowym. Co więcej, okazało się, iż te ostatnie są także tworami złożonymi z jeszcze mniejszych składników - kwarków (mających ułamkowe ładunki elektryczne).

Rysunek 1. Struktura atomu

Wiemy także, iż cząstki oddziałują ze sobą za pośrednictwem czterech typów sił. Oddziaływania te dzielimy na oddziaływania grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne i słabe. Wszystkie cząstki oddziałują grawitacyjnie i słabo. Elektromagnetycznie oddziałują tylko cząstki mające niezerowy ładunek elektryczny, a silnie oddziałują jedynie kwarki i zbudowane z nich hadrony (protony, neutrony, piony, hiperony etc.). Oddziaływania elektromagnetyczne są odpowiedzialne za budowę atomów (i ich wiązania, a zatem, w konsekwencji, za strukturę wszystkich związków chemicznych), oddziaływania silne - za budowę jądra atomowego i reakcje jądrowe (np. rozpady α). Oddziaływania słabe natomiast odpowiedzialne są m.in. za przemiany β jąder atomowych. Wszystkie przejawy trzech typów oddziaływań są na bardziej fundamentalnym poziomie konsekwencją słabych, elektromagnetycznych i silnych oddziaływań kwarków i leptonów. Oznacza to m.in., że oddziaływania silne między kwarkami są nie tylko odpowiedzialne za ich związanie w protonie, ale że oddziaływania protonów z protonami, neutronami czy pionami można także rozumieć jako konsekwencję oddziaływań między kwarkami będącymi składnikami hadronów.

Szczególnie wielki postęp, zwłaszcza w teoretycznym opisie oddziaływań elementarnych, dokonał się w ostatnim dwudziestoleciu XX w. Zamknięty został pewien rozdział w naszym rozumieniu mikroskopowej struktury otaczającego nas świata: powstała teoria zwana Teorią Standardową, która poprawnie opisuje strukturę materii do obecnie dostępnych eksperymentalnie odległości rzędu 10^-16 cm, tj. procesy zachodzące z udziałem cząstek elementarnych o energiach rzędu 100 gigaelektronowoltów (GeV = 10¹¹ eV). Na obecny stan naszej wiedzy o oddziaływaniach elementarnych składa się zatem klasyczna teoria grawitacji oraz Teoria Standardowa, powszechnie utożsamiana z tzw. Modelem Standardowym, który ściśle rzecz biorąc jest jej pewną konkretną realizacją. Obejmuje ona teorię oddziaływań silnych, zwaną chromodynamiką kwantową i zunifikowaną teorię oddziaływań elektromagnetycznych i słabych. Teoria ta umożliwia dokładne teoretyczne obliczanie mierzonych doświadczalnie wielkości charakteryzujących procesy zachodzące z udziałem cząstek elementarnych.