Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki - 2008 • Igor Ivanov • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Nagrody Nobla, fizyka

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki – 2008

Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 2008 r .: Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi i Toshihide Maskawa (zdjęcie z nobelprize.org)

Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2008 otrzymają dwaj Japończycy – Makoto Kobayashi i Toshihide Maskawa, a także Amerykanin pochodzenia japońskiego Yoichiro Nambu. Wszystkie trzy zostały nagrodzone za ich pracę nad łamaniem symetrii w świecie cząstek elementarnych, chociaż dzieła te należą do różnych epok, a same symetrie należą do różnych interakcji.

Nowe spojrzenie na dynamikę hadronów

W odległym 1960 roku nie było śladu standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych. Fizyka Hadrona była prawdziwym zbiegiem okoliczności. W tym czasie dziesiątki różnych cząstek oddziałujących silnie ze sobą nawzajem – hadrony – o najróżniejszych masach, ładunkach, cyklach życia i zaniku – zostały już odkryte w eksperymentach na synchrotronach protonowych. Fizycy nie rozumieli ani "celu" tych cząstek, ani ich związku ze sobą, w tamtym czasie nie było nawet rozsądnego schematu klasyfikacji dla tych hadronów.

Podczas gdy wielu fizyków usiłowało znaleźć sensowną systematykę hadronów (która kilka lat później doprowadziła do idei kwarków),Yoichiro Nambu wraz z włoską fizyką Yoną-Lasinho opublikowali dwa artykuły, w których zaproponowali zupełnie nowe spojrzenie na esencję niektórych hadronów. Opierając się na wcześniejszej pracy Nambu nad nadprzewodnictwem, wykazali głęboką analogię między nadprzewodnictwem a fizyką hadronową i na jej podstawie zbudowali niezwykły model interakcji cząstek elementarnych.

Ten model początkowo wyglądał zupełnie inaczej niż prawdziwy świat hadronów. Oparty był na analogach protonów i neutronów, ale tylko bardzo lekki, nie było w nim mezonów, ale pojawiła się nowa symetria (chiralna symetria). Jednak po przeanalizowaniu konsekwencji tego modelu, autorzy zauważyli, że występuje w nim niezwykłe zjawisko – spontaniczne łamanie symetrii chiralnej. Dzięki niemu metamorfoza odbywała się z cząstkami w tym modelu: pojawiły się mezony (jako związane stany fermionów, analogi par Coopera w nadprzewodniku), a same fermiony stały się znacznie twardsze i mogły już być utożsamiane z protonami i neutronami.

Doprowadziło to do przemyślenia fizycznej istoty hadronów.Poprzednio wyglądały jak kawałki "niewzruszonej materialnej istoty", swobodnie latające przez próżnię, która w żaden sposób ich nie dotyczyła. Teraz, z powodu "gry pól siłowych", hadrony stały się kwazicząstkami, przedmiotami, które nabierają materialnej esencji dzięki niezwykłym właściwościom próżni.

Poniższy cytat z artykułu pionierskiego Nambu i Yona-Lasinho jest bardzo orientacyjny:

"Chociaż nasz model Hamiltona jest bardzo prosty, daje on wyniki, które silnie przypominają właściwości prawdziwych nukleonów i mezonów. Bardzo atrakcyjne jest to, że zarówno masa nukleonu, jak i pseudoskalarny "mezon pi" mają takie samo dynamiczne pochodzenie … Zgodnie z naszym modelem mezon pi nie jest głównym źródłem silnej interakcji, ale jedynie efektem ubocznym. Pierwotna interakcja nie jest jeszcze znana. "

Prawdopodobnie będzie sprawiedliwe stwierdzenie, że po tych pracach fizycy uważali, że za zamieszaniem hobbów leży pewna warstwa struktury naszego świata, w której dynamiczne zjawiska nie tylko wpływają na zachowanie cząstek, ale zmieniają ich bardzo istotną esencję.Dalsze postępy w teorii silnych interakcji (kwarki, gluony, zamknięcie i chromodynamika kwantowa) tylko potwierdziły poprawność tego poglądu na rzeczy. Ale co jest uderzające jest to, że pomimo wszystkich współczesnych osiągnięć, model Nambu-Yona-Lasinio (w skrócie model NJL) w nieco zmodyfikowanej formie jest nadal, pół wieku po jego utworzeniu, aktywnie wykorzystywany w niektórych obliczeniach – schwytano w nim istotę hadronu fizyka.

I sama idea spontanicznego łamania symetrii w świecie cząstek elementarnych zaczęła być aktywnie rozwijana przez teoretyków, a następnie wyrósł z tego mechanizm Higgsa łamania symetrii elektrosłabej i inne rodzaje zerwanych symetrii.

Wkład Nambu w rozwój fizyki cząstek elementarnych nie ogranicza się do tego modelu. Nambu był jednym z tych, którzy wpadli na pomysł "barwy" kwarków, zbudował jeden z pierwszych modeli kwarkowych (który jednak nie został później eksperymentalnie potwierdzony), zdał sobie sprawę, że gdy kwarki zostały usunięte od siebie, linie siły między nimi rozciągnięte jako struny . To, nawiasem mówiąc, było pierwszym krokiem w kierunku teorii strun, a teraz wszystkie podręczniki teorii strun zaczynają się od badań struny Nambu-Goto.

Podwójne życie kwarków

Osiągnięcie Kobayashi i Maskawy odnosi się do innej epoki i innej symetrii. Wszystko zaczęło się od tego, że słaba interakcja hadronów okazała się znacznie bardziej przebiegła niż silna. W 1964 roku odkryto, że w rozpadach mezonów K łamana jest tak zwana symetria CP. Symetria CP oznacza, że ​​wszystkie właściwości antycząstek pokrywają się z właściwościami zwykłych cząstek w zwierciadlanej przestrzeni. Ta równość między cząstkami i antycząstkami wydawała się bardzo naturalna dla fizyków, a zatem odkrycie jej naruszenia w słabych interakcjach było wielką niespodzianką.

Kiedy nadeszła era modelu kwarkowego, stało się jasne, że naruszenie CP powinno powstać z powodu słabych interakcji kwarków. Ale jak opisać to naruszenie nie było jasne.

Kwarki d i s jako wektory w przestrzeni abstrakcyjnej. Zestaw kwarków o pewnych masach (d, s) w ogóle nie pokrywa się ze zbiorem kwarków o pewnych cechach stosunkowo słabej interakcji (d ', s'), ale jest obrócony względem niego (obraz z miejsca nuclphys.sinp.msu.ru)

Potem nastąpił głęboki wgląd w innego włoskiego fizyka, Nicola Cabibbo. Zdał sobie sprawę, że przy słabej interakcji kwarki rodzą się bez żadnej masy. Uwaga! – Nie oznacza to, że kwarki powstają z zerową masą.Nie, kwarki rodzą się w jakimś mieszanym stanie, które ogólnie nie można przypisać żadnej wartości ciężaru.

Z codziennego punktu widzenia może to wydawać się dziwne, ale w przypadku cząstek kwantowych jest to całkiem normalne. Tylko stany kwarków o określonym typie interakcji i stany kwarków o określonej masie nie są identycznym zbiorem, a nie kompletnie odmiennym zbiorem, ale jak gdyby innym widokiem tych samych kwarków. Kwark urodzony w słabych interakcjach jest mieszaniną kwarków o określonych masach, a kwark o określonej masie jest mieszaniną kwarków z różnymi typami oddziaływań.

Kobayashi i Maskawa zrobili kolejny krok w tym kierunku. Technicznie, ten krok był prawdopodobnie mały, ale doprowadził do kardynalnego skoku w zrozumieniu tego zjawiska. Udowodnili, że naruszenie CP może "najechać" świat hadronów właśnie przez to mieszanie. To prawda, że ​​w tym celu nie było wystarczającej liczby kwarków, a następnie Japończycy postulowali istnienie kolejnego pokolenia kwarków. Prognozy te zostały następnie znakomicie potwierdzone eksperymentalnie: kwark b został otwarty cztery lata później, a ciężki t-kwark – w 1995 roku.Teraz artykuł Kobayashiego i Maskawy jest drugim po liczbie cytatów z całej historii fizyki cząstek elementarnych.

Okazuje się, że naruszenie CP w rozpadach hadronów powstaje z powodu jakiegoś szczególnego, "zakrzywionego" widoku kwarków, które są "wytwarzane" przez cząsteczki-nośniki słabej interakcji. Dlaczego tak się dzieje, nie jest znane do dziś. Nie jest nawet jasne, co to dokładnie jest winić – kwarki lub słabe interakcje. Fizycy podejrzewają, że trzeba szukać odpowiedzi w urządzeniu mechanizmu Higgsa i mają nadzieję, że eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów bardzo im w tym pomogą.

Praca Cabibbo, Kobayashiego i Maskawy opiera się na nowoczesnej teorii łamania CP i ogólnie słabych interakcjach między kwarkami. Matematycznie opisano ją za pomocą macierzy, która nosi ich nazwy (w skrócie CKM-matrix). Liczby w tej macierzy charakteryzują mieszanie kwarków i siłę naruszenia CP. Liczby te zostały dość dobrze określone w ostatnich latach dzięki kompleksowemu badaniu rozpadów mezonów B w eksperymentach BaBar i Belle. W Dużym Zderzaczu Hadronów, głównie w eksperymencie LHCb, zaproponowano jeszcze lepsze poznanie tych parametrów i, być może, ustalenie ich pochodzenia.

Podsumowując

Czytelnik mógł zauważyć, że włoscy fizycy pojawili się w obu historiach: Yona-Lasinho i Cabibbo. Żaden z nich nie otrzymał Nagrody Nobla, chociaż ich wkład, zdaniem wielu ekspertów, był porównywalny z tym, jaki otrzymywali laureaci. Decyzja Komitetu Noblowskiego wywołała już wiele zaskoczonych i rozczarowanych komentarzy, głównie od włoskich fizyków. Niestety, jednym z warunków przyznania Nagrody Nobla jest nie więcej niż trzech laureatów. Dlatego takie sytuacje są najwyraźniej nieuniknione, a plotki o tym, kto zasługuje na więcej, a kto zasługuje na mniej, będą powtarzane z roku na rok.

Oryginalne artykuły laureatów:

  • Y. Nambu, G. Jona-Lasinio. Na podstawie analogii z nadprzewodnictwem. I // Przegląd fizyczny 122, 345-358 (1961). Artykuł w domenie publicznej.
  • Y. Nambu, G. Jona-Lasinio. Na podstawie analogii z nadprzewodnictwem. II // Przegląd fizyczny 124, 246-254 (1961). Artykuł w domenie publicznej.
  • M. Cobayashi, T. Maskawa. Pogwałcenie CP w odnawiającej się teorii słabej interakcji // Postęp fizyki teoretycznej (1973) .V. 49. Nie. 2. P. 652-657. Artykuł w domenie publicznej.

Dodatkowe linki:

  • Komunikat prasowy Komitetu Noblowskiego w sprawie przyznania Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki – 2008 r.
  • Broken Symmetry (PDF, 260 Kb) – tekst Komitetu Noblowskiego na temat historii i wartości naukowej dzieł Nambu i Kobayashiego-Maskawy.
  • M. K. Volkov, A. E. Radjabov. Model Nambu-Jona-Lasinio i jego rozwój // UFN, 176, 569 (2006).
  • Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki dla teoretyków cząstek! – wpis na blogu Tommaso Dorigo, który wywołał ożywioną i interesującą dyskusję.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: