Wstęp

Jednym z najbardziej zaskakujących odkryć fizyki wysokich energii jest fakt, że w przyrodzie występuje znacznie więcej rodzajów cząstek elementarnych niż konieczne jest to do wyjaśnienia budowy materii bezpośrednio nas otaczającej. Wyjaśnienie to wymaga bowiem istnienia jedynie elektronu , neutrina elektronowego i dwóch typów (tzw. zapachów) kwarków: i , z których zbudowane są protony i neutrony. Okazuje się jednak, że każda cząstka ma w przyrodzie swoją antycząstkę (w tym przypadku pozyton , antyneutrino i antykwarki i ). W laboratoriach odkryto ponadto cięższe od elektronu leptony i , ich neutrina i oraz odpowiadające im antycząstki. Odkryto także cztery dodatkowe kwarki , , i o masach większych niż masy kwarków i oraz odpowiadające im antykwarki. Powód istnienia cząstek niewchodzących w skład otaczającej nas materii lub, innymi słowy, powód istnienia dodatkowych par kwarków i leptonów pozostaje zagadką. Ich oddziaływania opisywane są Teorią Standardową, ale ich istnienie nie jest niezbędne dla wewnętrznej spójności teorii.

Kwarki niosą ładunki oddziaływań silnych, słabych i elektromagnetycznych. Wraz z leptonami, które mają tylko ładunki oddziaływań elektromagnetycznych i słabych stanowią one podstawowe składniki materii. Listę cząstek elementarnych uzupełniają kwanty pól cechowania oraz bozon (lub bozony) Higgsa. Według naszej obecnej wiedzy cząstkami elementarnymi są więc

• fermiony (spin 1/2)
  • kwarki
  • leptony
• kwanty pól cechowania (spin 1)
  • 8 gluonów - nośniki oddziaływań silnych
  • - nośniki oddziaływań elektromagnetycznych i słabych
• bozony Higgsa (spin 0)
  • 

Ich masy i liczby kwantowe ( - liczba leptonowa, - liczba barionowa) zebrane są w tabeli 1.

Symbole , , , , i oznaczają różne rodzaje kwarków. Rodzaje te nazywa się zapachami. Dla oddziaływań silnych kwarki różniące się zapachem są nierozróżnialne, gdyż to nie zapach, lecz kolor jest odpowiedzialny za te oddziaływania (mówimy więc, że gluony sprzęgają się do koloru). Zapach kwarka wiąże się za to z jego ładunkiem elektrosłabym. Wszystkie znane fermiony grupują się mianowicie w trzy rodziny o identycznych własnościach z punktu widzenia oddziaływań elektrosłabych (i oczywiście także silnych) ułożone w kolumnach na liście (1). Kwarki i leptony w obrębie jednej rodziny różnią się swoimi ładunkami elektrosłabymi. Jedyną cechą odróżniającą odpowiadające sobie cząstki z różnych rodzin jest ich masa, której źródłem jest wspomniane wyżej spontaniczne naruszenie symetrii cechowania przez stan próżni. Prawdziwy powód dla którego masy różnych fermionów są różne pozostaje jednak nieznany: w Teorii Standardowej masy fermionów są jej wolnymi parametrami.

Podsumowując, Teoria Standardowa jest to kwantowa teoria pola oparta na grupie cechowania z naruszoną spontanicznie symetrią . Podstawową cechą tej teorii jest możliwość uzyskiwania za jej pomocą precyzyjnych ilościowych przewidywań dla dowolnych procesów zachodzących na poziomie oddziaływań elementarnych przy użyciu niewielkiej liczby parametrów, których wartości wyznacza się z pomiarów. Możliwość tę zapewnia tzw. renormalizowalność teorii, o której będzie jeszcze mowa. Przewidywania tej teorii są weryfikowane doświadczalnie i jak dotąd nie zaobserwowano żadnych znaczących odstępstw od tych przewidywań. Największym jej sukcesem było odkrycie bozonów i (lata 1983-84) z masami zgodnymi z oczekiwaniami teoretycznymi. Tak więc wszystko wskazuje na to, iż Teoria Standardowa poprawnie opisuje strukturę materii na odległościach rzędu m.

Teoria Standardowa nie jest jednak najprawdopodobniej ostateczną teorią opisującą oddziaływania elementarne. Na poparcie tego stwierdzenia podamy w ostatniej części tego artykułu kilka istotnych argumentów. Jednym z nich jest idea pełnej unifikacji wszystkich oddziaływań elementarnych. Przez termin "unifikacja" należy tu rozumieć taki obraz oddziaływań, w którym wszystkie znane z doświadczenia siły są przejawami jednego bardziej fundamentalnego oddziaływania. Teoria unifikująca powinna pozwolić wyjaśnić obserwowane przy obecnie badanym zakresie energii (odległości) różnice między oddziaływaniami silnymi i elektrosłabymi. W Teorii Standardowej zunifikowane (i to w niepełny sposób) są jedynie oddziaływania słabe i elektromagnetyczne: teoria ta przewiduje, że przy energiach rzędu 100 GeV i wyższych oddziaływania słabe i elektromagnetyczne są w zasadzie jednym oddziaływaniem (mają mniej więcej jednakową siłę). Przewidywania te zostały potwierdzone eksperymentalnie. Obserwowane w procesach niskoenergetycznych wyraźne różnice między tymi oddziaływaniami są skutkiem spontanicznego naruszenia symetrii cechowania. Natomiast znacznie większa (nawet przy energiach rzędu 100 GeV) w porównaniu z dwoma pozostałymi siła oddziaływań silnych nie znajduje w Teorii Standardowej głębszego wyjaśnienia. Osiągnięta w Teorii Standardowej unifikacja oddziaływań słabych i elektromagnetycznych sugeruje jednak, iż zapewne także oddziaływania silne i elektrosłabe są jedynie niskoenergetycznymi przejawami jednego oddziaływania opisywanego jakąś bardziej podstawową teorią.

Powszechne jest też przekonanie, że teoria bardziej podstawowa powinna opisywać w sposób zunifikowany z pozostałymi trzema także oddziaływania grawitacyjne. W obecnym swym kształcie teoria grawitacji jest teorią klasyczną. Należy jednak podkreślić, że warunkiem koniecznym unifkacji pozostałych oddziaływań z oddziaływaniami grawitacyjnymi jest stworzenie kwantowego opisu także tych ostatnich. Oddziaływanie grawitacyjne powinno więc być opisywane teorią kwantową, której przybliżeniem klasycznym musi być Ogólna Teoria Względności (tak jak elektrodynamika Maxwella jest klasycznym przybliżeniem elektrodynamiki kwantowej). Warunek ten spełnia kwantowa teoria pola bezmasowych cząstek o spinie 2, zwanych grawitonami, które są nośnikami długozasięgowego oddziaływania grawitacyjnego. Można udowodnić, że w kwantowej teorii pola siły przenoszone przez cząstki o spinie równym 1 mogą być zarówno przyciągające, jak i odpychające, natomiast wymiana cząstek o spinach 2 prowadzi zawsze do sił przyciągających zgodnie z obserwowanymi własnościami oddziaływań grawitacyjnych. Można także pokazać, że żądanie relatywistycznej (lorentzowskiej) niezmienniczości oddziaływania cząstek o spinie 2 (grawitonów) ze sobą prowadzi do bardzo szczególnej postaci tych oddziaływań przy niskich energiach - takiej właśnie, że przybliżeniem klasycznym tej teorii jest Ogólna Teoria Względności. Można więc spojrzeć na Ogólną Teorię Względności (a tym samym na zasadę równoważności będącą jej fizyczną podstawą) jak na konsekwencję relatywistycznej niezmienniczości kwantowej teorii pola cząstek o spinie 2. Trzeba jednak pamiętać, że kwantowa teoria pola cząstek o spinie 2 jest nierenormalizowalna i dlatego, podobnie jak teoria Fermiego oddziaływań słabych, powinna być uważana za teorię efektywną będącą przybliżeniem jakiejś bardziej fundamentalnej teorii. Przyczyny nierenormalizowalności obu teorii są jednak różne: teoria Fermiego jest przybliżeniem renormalizowalnej kwantowej teorii pola (oddziaływań elektrosłabych), natomiast w przypadku kwantowej teorii pola oddziałujących grawitonów wszystko wskazuje na to, że jest ona przybliżeniem teorii wychodzącej poza schemat zwykłej teorii pola (z cechowaniem) w czterowymiarowej czasoprzestrzeni.

Należy też podkreślić, że poznanie teorii bardziej podstawowej w stosunku do Teorii Standardowej jest przede wszystkim potrzebne by znaleźć odpowiedzi na pytania, które w Teorii Standardowej pozostają bez odpowiedzi: np. by zrozumieć lepiej oddziaływania odpowiedzialne za masy cząstek, wyjaśnić występowanie takiej a nie innej liczby rodzin kwarków i leptonów, czy też odpowiedzieć na wiele pytań, które stawia przed nami kosmologia, jak np. pytanie o pochodzenie materii we Wszechświecie. Dotychczasowa historia badań pokazuje jednak, iż decydujący impuls stymulujący rozwój teorii pochodził na ogół z badań eksperymentalnych. Nie ma powodu by sądzić, że nie będzie tak i w przyszłości.