Wstęp

Współczesna teoria oddziaływań elementarnych opiera się w zasadzie na pojęciach i koncepcjach leżących u podstaw całej fizyki, poczynając od mechaniki (teorii opisującej ruch ciał i jego dynamikę) i elektrodynamiki (teorii oddziaływań ładunków elektrycznych i pola elektromagnetycznego). Jednakże niektóre z tych pojęć – jak na przykład pojęcia ruchu czy sił działających między ciałami – tracą w fizyce wysokich energii na znaczeniu, inne zaś, takie jak pojęcie oddziaływania lub pojęcie symetrii, tj. takich operacji które można wykonać na układzie fizycznym (lub, równoważnie, na układzie odniesienia) bez zmieniania jego własności (np. często operacje tak¡ jest przesunięcie lub obrót układu fizycznego, lub układu odniesienia), stają się w teorii oddziaływań elementarnych pojęciami centralnymi. Podstawową koncepcją leżącą u podstaw współczesnej teorii cząstek jest względność ruchu i oddziaływań zawarta w Szczególnej Teorii Względności Einsteina. Teoria oddziaływań elementarnych wykorzystuje także bardziej abstrakcyjne koncepcje. Do takich należy przede wszystkim koncepcja spontanicznego naruszenia symetrii przez układ fizyczny znajdujący się w stanie o najniższej energii, czyli przez tzw. stan podstawowy układu (w kwantowej teorii pola zwany próżnią).

Spontaniczne naruszenie symetrii przez stan o najniższej energii można wyjaśnić na przykładzie prostego pręta. Pręt taki ma oczywiście symetrię obrotową. Jeśli jednak przyłożymy siły nacisku działające na oba jego końce wzdłuż jego osi, to przy pewnej wartości tych sił pręt wygnie się dążąc do osiągnięcia stanu o minimalnej energii.

Rysunek 2. Spontaniczne naruszenie symetrii

Pręt wygięty oczywiście można obracać wokół osi pionowej bez zmiany jego energii. Jednakże wybór jednego z (a priori równoważnych) kierunków wygięcia narusza symetrię obrotową. Takie naruszenie symetrii nazywamy naruszeniem spontanicznym przez stan podstawowy tj. przez stan o najniższej energii układu.

Wśród symetrii szczególną rolę odgrywa tzw. lokalna symetria cechowania. Przykładem takiej symetrii w fizyce klasycznej jest symetria względem transformacji cechowania w elektrodynamice. Zarówno pojęcie spontanicznego naruszenia symetrii, jak i lokalnej symetrii cechowania występują w fizyce klasycznej, ale nabierają szczególnego znaczenia w fizyce kwantowej.

Teoria cząstek elementarnych to teoria kwantowa, a ściślej rzecz biorąc kwantowa teoria pola. Podstawą fizyczną kwantowej teorii pola jest dualizm korpuskularno-falowy rozszerzony o dualizm materii i oddziaływań. Dualizm ten oznacza, że źródłem sił jest wymiana cząstek będących kwantami pola sił. W kwantowej teorii pola z lokalną symetrią cechowania kwantami pól sił są cząstki o spinie równym^** Stosujemy tu naturalny układ jednostek, w którym ħ=c=1. Również stała elektryczna ε₀ i stała magnetyczna μ₀ w tym układzie są równe 1. 1 zwane bozonami cechowania. Najlepiej znanym przykładem są fotony będące kwantami pola elektromagnetycznego. W kwantowej teorii pola znika w zasadzie podział na materię i nośniki oddziaływań. Przyjęło się jednak za materię uważać kwarki i leptony, a będące kwantami pól cechowania cząstki o spinie równym 1 za nośniki oddziaływań. Podział ten ma o tyle sens, że całkowita liczba fermionów (licząc każdy antyfermion jako minus jeden fermion) uczestniczących w danym procesie jest zawsze zachowana.^**** Być może neutrina stanowią tu wyjątek. Zatem tak określona materia podlega prawu zachowania. Nie ma natomiast prawa zachowania liczby bozonów. Ponadto w granicy klasycznej, , podział taki jest zgodny z klasycznym obrazem oddziaływania dwóch ładunków (np. ładunków elektrycznych elektronów) dzięki istnieniu w przestrzeni między nimi pola sił elektromagnetycznych. Czytelnika chcącego uzyskać więcej wiadomości o tych podstawach odsyłamy do literatury zamieszczonej na końcu artykułu.

W przyrodzie istnieją, poza fotonami, także nośniki oddziaływań silnych między kwarkami tzw. gluony (osiem bezmasowych cząstek o spinach 1) oraz nośniki oddziaływań słabych - bozony , i o spinach 1 i niezerowych masach. W Teorii Standardowej są one kwantami pól sił związanych z lokalną symetrią cechowania, która jest częściowo naruszona spontanicznie przez stan podstawowy tej teorii. Lokalna symetria cechowania to symetria względem przekształceń w przestrzeni stanów o określonych ładunkach związanych z poszczególnymi oddziaływaniami. Wiemy, że oddziaływanie elektromagnetyczne dwóch cząstek jest skutkiem posiadania przez nie ładunków elektrycznych. Podobnie za oddziaływania silne i słabe cząstek elementarnych odpowiedzialne są pewne inne liczby kwantowe (ładunki tych oddziaływań) tych cząstek. I tak, ładunek silny kwarków został umownie nazwany kolorem, zaś teorię oddziaływań silnych nazywa się chromodynamiką kwantową. Każdy z kwarków występuje w trzech różnych kolorach. Mamy więc np. trzy kwarki : (czerwony), (niebieski) i (żółty). Niezmienniczość chromodynamiki kwantowej względem lokalnych prekształceń cechowania wynika ze swobody wyboru układu odniesienia w przestrzeni koloru. Jak to omawiamy dokładniej w rozdziale 4, przekształcenia te tworzą grupę symetrii zwaną grupą koloru. Podobnie jak w przypadku oddziaływań silnych, podstawą teorii oddziaływań elektrosłabych, zwanej także teorią Glashowa-Weinberga-Salama, jest symetria cechowania odpowiadająca swobodzie niezależnego w każdym punkcie czasoprzestrzeni wyboru układu odniesienia w przestrzeni ładunków elektrosłabych. Symetria ta jest spontanicznie naruszona. Prowadzi to do powstania mas cząstek dzięki mechanizmowi zwanemu mechanizmem Higgsa.