Nobelprisen i fysikk - 2008 • Igor Ivanov • Vitenskapelig nyhet om "Elementer" • Nobelpriser, fysikk

Nobelprisen i fysikk – 2008

Nobelprisvinnere i fysikk i 2008: Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi og Toshihide Maskawa (bilde fra nobelprize.org)

Nobelprisen i fysikk for 2008 vil motta to japanske – Makoto Kobayashi og Toshihide Maskawa, samt en amerikansk av japansk avstamning Yoichiro Nambu. Alle tre ble tildelt for arbeidet med symmetribrudd i verden av elementære partikler, selv om disse arbeidene tilhører forskjellige epoker, og symmetriene tilhører selv ulike samspill.

Nytt blikk på dynamikken til hadroner

I fjernt 1960 var det ingen spor av standardmodellen for partikkelfysikk. Hadron fysikk var en ekte jumble. På den tiden hadde dusinvis av forskjellige partikler med sterk vekselvirkning med hverandre – hadroner – med de mest varierte massene, ladningene, levetidene og forfallskanaler, allerede blitt oppdaget i forsøk på protonsynkrotroner. Fysikere forstod ikke enten "hensikten" med disse partiklene eller deres forhold til hverandre, på den tiden var det ikke engang en rimelig klassifiseringsordning for disse hadronene.

Mens mange fysikere kjempet for å finne meningsfylte systematikk av hadroner (som noen år senere førte til ideen om kvarker)Yoichiro Nambu, sammen med den italienske fysikeren Yona-Lasinho, publiserte to artikler der de tilbød et helt nytt utseende på essensen av noen hadroner. Basert på Nambu's tidligere arbeid på superledningsevne, demonstrerte de en dyp analogi mellom superledningsevne og hadronfysikk, og på grunnlag av den bygde en uvanlig modell av samspillet mellom elementære partikler.

Denne modellen så i utgangspunktet ganske ulikt den virkelige verden av hadroner. Det var basert på analoger av protoner og nøytroner, men bare veldig lett, det var ingen mesoner i det, men det var litt ny symmetri (chiral symmetri). Men etter å ha analysert konsekvensene av denne modellen så forfatterne at et bemerkelsesverdig fenomen oppstår i det – spontan brudd på chiral symmetri. Takket være ham fant metamorfose seg med partikler i denne modellen: mesoner dukket opp (som bundet tilstand av fermioner, en analog Cooper-par i en superleder), og fermionene selv ble mye vanskeligere, og de kunne allerede identifiseres med protoner og nøytroner.

Dette førte til en revurdering av den fysiske essensen av hadroner.Tidligere så de ut som stykker av en "ugjennomtrengelig materiell enhet", som fritt flyr gjennom et vakuum som ikke påvirket dem på noen måte. Nå, på grunn av "feltet av kraftfelt" har hadrons blitt kvasipartikler, objekter som skaffer seg deres materielle essens på grunn av de uvanlige egenskapene til et vakuum.

Følgende sitat fra pionerartikkelen av Nambu og Yona-Lasinho er meget veiledende:

"Selv om modellen vår Hamiltonian er veldig enkel, gir den resultater som sterkt ligner egenskapene til ekte nukleoner og mesoner. Veldig attraktivt er det faktum at både massen av nukleon og pseudosalar "pi-meson" har samme dynamiske opprinnelse … Ifølge vår modell er pi-meson ikke den primære kilden til sterk vekselvirkning, men bare en bivirkning. Primær samhandling er ikke kjent ennå. "

Det vil nok være rimelig å si at det var etter disse verkene at fysikerne følte at bakom hubbons forvirring ligger et visst lag av verdensstrukturen, der dynamiske fenomener ikke bare påvirker partiklens oppførsel, men endrer sin meget materielle essens.Ytterligere fremskritt i teorien om sterke vekselvirkninger (kvarker, gluoner, inneslutning og kvantekromodynamikk) bekreftet bare korrektheten av denne syn på ting. Men det som er slående er at til tross for alle moderne prestasjoner, er Nambu-Yona-Lasinio-modellen (forkortet som NJL-modell) i en litt modifisert form fortsatt et halvt århundre etter opprettelsen, aktivt brukt i noen beregninger – essensen av hadronen ble fanget i den fysikk.

Og selve ideen om spontan nedbrytning av symmetrier i elementære partikkelverden begynte å bli utviklet aktivt av teoretikere, og senere vokste Higgs-mekanismen for å bryte av elektrosvaksymmetri og andre typer brutte symmetrier ut av det.

Nambus bidrag til utviklingen av elementær partikkelfysikk er ikke begrenset til denne modellen. Nambu var blant dem som kom opp med ideen om "farge" av kvarker, han bygde en av de første kvarkmodellene (som imidlertid ikke ble eksperimentelt bekreftet senere), skjønte han at når kvarkene ble fjernet fra hverandre, strømmet linjene mellom dem som strenger . Dette var forresten det første skrittet mot strengteori, og nå begynner alle lærebøker på strengteori med studien av Nambu-Goto-strenger.

Dobbelt liv av kvarker

Oppnåelsen av Kobayashi og Maskawa refererer til en annen epoke og en annen symmetri. Alt begynte med det faktum at den svake samspillet mellom hattroner viste seg å bli arrangert mye mer listig enn den sterke. I 1964 ble det oppdaget at den såkalte CP-symmetrien i ødeleggelser av K-mesoner er ødelagt. CP-symmetri betyr at alle egenskapene til antipartikler sammenfaller med egenskapene til vanlige partikler i et speilreflektert rom. Denne likestilling mellom partikler og antipartikler virket veldig naturlig for fysikere, og derfor var oppdagelsen av dens brudd i svake samhandlinger en stor overraskelse.

Når æra av quarkmodellen kom, ble det klart at CP-bruddet skulle oppstå på grunn av svake vekselvirkninger av kvarker. Men hvordan å beskrive dette bruddet var ikke klart.

Quarks d og s som vektorer i abstrakt rom. Kvarksettet med bestemte masser (d, s) overhenger ikke helt sammen med settet av kvarker med visse egenskaper av relativt svakt samspill (d ', s'), men roteres i forhold til det (bildet fra nettstedet nuclphys.sinp.msu.ru)

Dette ble etterfulgt av et dypt innblikk i en annen italiensk fysiker, Nicola Cabibbo. Han innså at med svak samhandling er kvarker født uten masse. Advarsel! – Dette betyr ikke at kvarker er født med null masse.Nei, kvarker er født i noen blandet tilstand, som generelt ingen vektverdi kan tildeles.

Dette kan virke rart fra det daglige synspunktet, men for kvantpartikler er det ganske normalt. Bare kvarkstater med en bestemt type samspill og kvarkstater med en bestemt masse er ikke et identisk sett, og ikke et helt annet sett, men som det var et annet syn på de samme kvarkene. En kvark født i svake vekselvirkninger er en blanding av kvarker med bestemte masser, og en kvark med en bestemt masse er en blanding av kvarker med forskjellige typer interaksjoner.

Kobayashi og Maskawa tok neste skritt i denne retningen. Teknisk sett var dette trinnet lite, men det førte til et kardinalhopp i å forstå fenomenet. De viste at CP-overtredelsen kan "invadere" verdenen av hattroner nettopp gjennom denne blandingen. Sannt, for å oppnå dette var det ikke nok kvarker åpne på den tiden, og den japanske postulerte eksistensen av en annen quarkgenerasjon. Denne prognosen ble deretter briljant bekreftet eksperimentelt: b-kvarken ble åpnet fire år senere, og den tunge t-kvarken – i 1995.Nå er artikkelen av Kobayashi og Maskawa den andre av antall sitater i hele historien om elementær partikkelfysikk.

Så det viser seg at CP-krenkelsen i Hadron-henfall oppstår på grunn av en spesiell "skrå" visning av kvarker, som "produseres" av partikkelbærerne av den svake samspillet. Hvorfor dette skjer er ukjent for denne dagen. Det er ikke engang klart hva dette egentlig skyldes – kvark eller svakt samhandling. Fysikere mistenker at det er nødvendig å lete etter svaret i enheten av Higgs-mekanismen, og de håper at forsøkene på Large Hadron Collider vil hjelpe dem veldig mye i dette.

Arbeidet med Cabibbo, Kobayashi og Maskawa er basert på den moderne teorien om CP-brudd og generelt svake samspill mellom kvarker. Matematisk beskrives den ved hjelp av en matrise som bærer navnene sine (forkortet CKM-matrise). Tallene i denne matrisen karakteriserer blanding av kvarker og styrken av CP-overtredelsen. Disse tallene har vært ganske godt definert de siste årene, takket være en omfattende studie av nedfall av B mesons i BaBar og Belle-eksperimenter. På Large Hadron Collider, hovedsakelig i LHCb-eksperimentet, foreslås det å studere disse parameterne enda bedre og muligens for å finne ut av opprinnelsen deres.

Som konklusjon

Leseren har kanskje lagt merke til at italienske fysikere dukket opp i begge historiene: Yona-Lasinho og Cabibbo. Ingen av dem fikk Nobelprisen, selv om deres bidrag, ifølge mange eksperter, var sammenlignbare med lønnene. Beslutningen fra Nobelkomiteen har allerede ført til mange overraskede og skuffede kommentarer, først og fremst fra italienske fysikere. Alas, en av betingelsene for å tildele Nobelprisen er ikke mer enn tre laureater. Derfor er slike situasjoner tilsynelatende uunngåelige, og sladder om hvem som fortjener mer og som fortjener mindre, vil gjentas fra år til år.

Opprinnelige artikler av laureates:

  • Y. Nambu, G. Jona-Lasinio. Basert på analogi med superledningsevne. Jeg // Fysisk gjennomgang 122, 345-358 (1961). Artikkel i det offentlige området.
  • Y. Nambu, G. Jona-Lasinio. Basert på analogi med superledningsevne. II // Fysisk gjennomgang 124, 246-254 (1961). Artikkel i det offentlige området.
  • M. Cobayashi, T. Maskawa. CP-overtredelse i den renormaliserbare teorien om svak vekselvirkning // Fremgang av teoretisk fysikk (1973) .V. 49. nr. 2. s. 652-657. Artikkel i det offentlige området.

Ekstra lenker:

  • Pressemelding fra Nobelkomiteen om tildeling av Nobelprisen i fysikk – 2008.
  • Broken Symmetry (PDF, 260 Kb) – Nobelkomiteens tekst om historien og den vitenskapelige verdien av verkene Nambu og Kobayashi-Maskawa.
  • M. K. Volkov, A. E. Radjabov. Nambu-Jonas-Lasinio-modellen og dens utvikling // UFN, 176, 569 (2006).
  • Nobelprisen i fysikk til partikkelteoretikere! – Tommaso Dorigo blogginnlegg, noe som førte til en livlig og interessant diskusjon.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

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