Podsumowanie. Kierunki dalszych badań w fizyce oddziaływań elementarnych

Zamknięty rozdział nie oznacza końca badań nad oddziaływaniami fundamentalnymi. Zamykanie jednego rozdziału jest równoczesne z otwieraniem nowego. W ostatnich 15-20 latach równolegle do coraz dokładniejszego sprawdzania Teorii Standardowej (badania doświadczalne i teoretyczne) prowadzone są badania traktujące tę teorię jak teorię efektywną, która opisuje w bardzo dobrym przybliżeniu oddziaływania elementarne zachodzące przy energiach niższych niż 100 GeV, ale wymaga zanurzenia w jeszcze bardziej podstawowej teorii. Główny nurt badań oddziaływań elementarnych przesunął się wyraźnie w tym kierunku.

Wspominaliśmy już wielokrotnie, Teoria Standardowa jest renormalizowalna. Jak staraliśmy się uzasadnić w poprzednim rozdziale, oznacza to, iż potencjalnie obserwowalne efekty pochodzące od nowych nieznanych skal (wymian ciężkich cząstek o masach ), np. od skali Wielkiej Unifikacji, mogą przejawiać się jedynie jako odstępstwa rzędu przewidywań Teorii Standardowej od wyników pomiarów. Na poziomie Teorii Standardowej byłyby one opisywane dodatkowymi nierenormalizowalnymi oddziaływaniami, które mogą naruszać (i prawdopodobnie naruszają) obowiązujące dla znanych oddziaływań elementarnych prawa zachowania niektórych liczb kwantowych (np. zachowanie liczby barionowej ). Odkrycie efektów tego rodzaju i tym samym nowej skali wymaga więc zwiększenia dokładności doświadczeń dla procesów dozwolonych w Teorii Standardowej lub (co może być łatwiejsze) zaobserwowania procesów zabronionych przez nią, takich jak np. rozpadu protonu będące typowym przewidywaniem teorii Wielkiej Unifikacji, czy też rozpad . Intensywne badania doświadczalne dały dotąd jeden spektakularny wynik. Jak pisaliśmy już, w ciągu ostatnich dwóch lat potwierdzono w przekonujący sposób, że naruszone jest zachowanie indywidualnych liczb leptonowych i że neutrina, będące w Teorii Standardowej bezmasowe, mają w istocie małe masy. Jak staraliśmy się pokazać, najbardziej przekonującą interpretacją tego faktu jest przyjęcie, że masy neutrin są niskoenergetycznym odbiciem fizyki przy skalach  GeV, czyli rzędu skali Wielkiej Unifikacji. Trudno przecenić znaczenie tego odkrycia.

Równolegle prowadzone są badania teoretyczne, w których istotną rolę odgrywają teorie Wielkiej Unifikacji i badania nad hipotetyczną nową symetrią przyrody, zwaną supersymetrią, zgodnie z którą każdej cząstce o spinie połówkowym (całkowitym) towarzyszy cząstka-partner o spinie całkowitym (odpowiednio połówkowym) i takich samych innych liczbach kwantowych. Oczekuje się, iż masy supersymetrycznych partnerów znanych cząstek są nieco poza zasięgiem obecnie działających akceleratorów i dlatego nie zostały one jak dotąd odkryte. Idea Wielkiej Unifikacji opiera się na obserwacji, że w ramach Teorii Standardowej stałe sprzężenia (siły) oddziaływań silnych i elektrosłabych stają się niemal równe sobie przy bardzo wysokich energiach rzędu  GeV. Efekt ten jest szczególnie uderzający w supersymetrycznym rozszerzeniu Teorii Standardowej. Badania teoretyczne koncentrują się też na pewnych potencjalnych problemach teorii, której niskoenergetycznym przybliżeniam miała by być Teoria Standardowa. Chodzi o to, że trochę podobnie do problemu nierenrmalizowalności teorii Fermiego, który doprowadził do powstania Teorii Standardowej, w bardziej podstawowej teorii istnieje potencjalnie problem hierarchii skal. Przy występowaniu ogromnych skal bardzo trudno jest zrozumieć, dlaczego hierarchia jest stabilna względem poprawek kwantowych w takiej teorii. Innymi słowy problemu tego nie ma, gdy skalę traktuje się jak parametr doświadczalny. Pojawia się on jednak, gdy Teorię Standardową zanurzy się w teorii bardziej podstawowej opisującej jednocześnie fizykę przy skali . Warunek unikania tego problemu jest istotnym ograniczeniem dla takich teorii i doprowadził już do powstania pewnych nowych koncepcji teoretycznych, z których najbardziej atrakcyjną jest wspomniane już supersymetryczne uogólnienie Teorii Standardowej. Innymi bardzo ważnymi elementami stymulującymi badania teoretyczne są próby włączenia oddziaływań grawitacyjnych w "ostateczną" teorię oddziaływań elementarnych i przekonanie, że teoria taka powinna być skończona, tzn. w rachunkach wykonywanych w niej nie powinny występować rozbieżności wymagające renormalizacji. Oznacza to prawdopodobnie konieczność odejścia od schematu kwantowej teorii pola w czterech wymiarach czasoprzestrzennych. Bardzo intensywne badania teoretyczne prowadzone są nad teorią superstrun, która być może spełnia te warunki.

Fizyka oddziaływań elementarnych przy skalach energii wyższych niż obecnie dostępne w akceleratorach, czy nawet tak ogromnych, jak skala Wielkiej Unifikacji, ma fundamentalny związek z kosmologią i astrofizyką. Poszukiwane bardziej podstawowe prawa fizyki zadecydowały o rozwoju Wszechświata po Wielkim Wybuchu i o strukturze Wszechświata obserwowanego obecnie. Wszechświat jest więc naturalnym laboratorium dla fizyki przy ogromnych skalach energii. Istnieją co najmniej cztery podstawowe problemy ściśle łączące fizykę oddziaływań elementarnych z kosmologią. Są to: znikanie lub (co w świetle najnowszych wyników obserwacji astrofizycznych bardziej prawdopodobne) bardzo mała, w porównaniu z typowymi przewidywaniami kwantowej teorii pola, wartość stałej kosmologicznej, inflacyjny (w pewnym wczesnym okresie jego istnienia) rozwój Wszechświata, silna przewaga materii nad antymaterią (czyli tzw. bariogeneza) i wreszcie istnienie we Wszechświecie ciemnej materii (tj. materii nie oddziałującej elektromagnetycznie), która prawdowpodobnie stanowi dominującą część (ok. 90%) masy całego Wszechświata. Każda teoria pretendująca do opisywania fizyki wykraczającej poza Teorię Standardową musi ustosunkować się do tych pytań i najczęściej oferuje konkretne przewidywania. Jednym z najbardziej konkretnych i intensywnie badanych doświadczalnie przewidywań jest hipoteza, że najlżejsza supersymetryczna cząstka-partner znanych cząstek jest głównym składnikiem ciemnej materii. Możliwy, choć obecnie mniej prawdopodobny, jest także spory wkład neutrin do ciemnej materii.

Jak ułoży się wzajemna relacja między doświadczeniem i teorią? Czy doświadczenie potwierdzi którąś z obecnych koncepcji, czy wskaże raczej zupełnie nowy kierunek? Budowany obecnie w Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych CERN akcelerator LHC (Large Hadron Collider) powinien dać odpowiedź na te pytania. Poszukiwanie cząstki (cząstek?) Higgsa i cząstek supersymetrycznych to główne kierunki planowanych badań w LHC. Należy też pamiętać o poszukiwaniu procesów zabronionych przez Teorię Standardową, takich jak rozpad czy rozpad protonu, które, po masach neutrin, mogą okazać się kolejnym niskoenergetycznym przejawiem fizyki na bardzo małych odległościach i o związku fizyki oddziaływań elementarnych z kosmologią.