Nobelovský výbor tak ocenil obrovské zásluhy těchto fyziků při studiu symetrií a hlavně pak jejich narušení v subatomové fyzice. Skoro bych si dovolil tvrdit, že není úplná náhoda, že toto ocenění přichází v době, kdy se spouští urychlovač LHC. Objevy původem japonských fyziků se totiž přímo váží k těm oblastem fyziky, kterým se experimentálně budou věnovat zařízení, pracující na tomto urychlovači.
Yoichiro Nambu z Ústavu Enrica Fermiho v Chicagu.
Letošní udělení Nobelovy ceny za fyziku tak opětně zdůrazňuje důležitost symetrií ve fyzice. Jejich význam pro pochopení zákonitostí, kterými se svět řídí, je klíčový a podtržen je i tím, že mají přímou souvislost se zákony zachování, které ve fyzice platí. Kdyby všude panovala dokonalá symetrie, byl by svět velice plochý. I v makrosvětě pozorujeme spoustu narušení symetrie. Nemáme nikdy levou polovinu obličeje stejnou jako pravou, srdce je daleko častěji v levé půlce těla. I v mikrosvětě mají kromě symetrií obrovský význam i jejich narušení.
Spontánní narušení symetrie probíhá v případě, že se určitá symetrie zachovává v nějakém energetickém stavu. Při přechodu do nižšího stavu (vakua) tato symetrie již neplatí (narušuje se). Dobrým příkladem může být rotující setrvačník, který zachovává směr osy rotace. Ten vypadá při pohledu z boku ze všech stran stejně. V okamžiku, kdy se zastaví a spadne, je tato symetrie (stejnost) porušena. V částicové fyzice se toto spontánní narušení symetrie, rozpracované právě Yorichirem Nambu, ukázalo být konceptem, který dokázal vysvětlit vznik hmotnosti některých částic a vysvětlit řadu pozorovaných skutečností. Ve Standardním modelu je pak využit v podobě higgsova mechanismu, který zavádí částici, jejíž hledání je jedním z klíčových úkolů urychlovače LHC.
Tošihide Maskawa z´Yukawova ústavu teoretické fyziky v Kjotu (fotka z dřívější doby).
Velký význam v subatomové fyzice mají zrcadlová symetrie a symetrie mezi částicemi a antičásticemi. Tyto symetrie a hlavně jejich narušení, které se v mikrosvětě projevuje, souvisí s prací oceněných nobelistů M. Kobajašiho a T. Maskawi. V padesátých letech se ukázalo, že fyzikální svět (fyzikální zákonitosti) „za zrcadlem“ není úplně stejný jako ten „normální“ a že zrcadlová symetrie se ve fyzice narušuje. Tato zrcadlová symetrie se označuje jako P-symetrie a zákon zachování s ní spojený jako zákon zachování parity. Narušení bylo pozorováno v rozpadu radioaktivních jader kobaltu 60. Ukázalo se, že vzniklé elektrony vyletují s různou pravděpodobností v závislosti na směru, který má vyletující elektron vůči orientaci magnetického momentu tohoto jádra. Později byla nalezena řada dalších procesů ve světě elementárních částic, kde se narušení této symetrie projevuje i daleko významněji.
Makoto Kobajaši z laboratoře KEK v Tsukubě. Tisková konference v souvislosti s obdržením Nobelovy ceny. (Zdroj Reuters)
Fyzikové v té době přišli s ideou, že tyto rozdíly mezi normálním světem a světem za zrcadlem a související narušení zrcadlové symetrie by mohlo být kompenzováno rozdíly v opačném směru při záměně částic za antičástice. Tedy, že fyzikální procesy v antisvětě za zrcadlem budou probíhat stejně jako u nás. Symetrie, při které se průběh fyzikálních zákonitostí zachovává při záměně částic v procesu za antičástice a antičástic za částice, se označuje za C-symetrii. To se také ve většině pozorovaných procesů, kde se narušení těchto symetrií pozorovalo, potvrdilo. Zachovávala se tak kombinovaná CP-symetrie.
Vznik a rozpad částice K0 na dva mezony pí, zachycený v bublinové komoře.
Při pozorování rozpadů neutrálních mezonů K0 se však ukázalo, že ani tato kombinovaná CP-symetrie není úplně dokonalá. Mezony K0 jsou vůbec velice exotické částice, u kterých se projevují téměř veškeré podivnosti kvantového světa. Pozorujeme míchání stavů K0 a anti-K0. Z tohoto míchání vznikají dva nové stavy K0, které se rozpadají různým způsobem. Jeden z nich žije téměř tisíckrát déle než druhý. Ten s delší dobou života se označuje jako KL a ten s kratší jako KS. První z nich se rozpadá na tři mezony pí a druhý na dva. Ovšem u toho prvního byla v roce 1964 pozorována i příměs (i když velmi malá) rozpadu na dva mezony pí. Tento rozpad pak porušuje CP-symetrii.
A právě toto narušení se pokusili vysvětlit Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa pomocí míchání různých kvarků. Zajímavé bylo, že matice, kterou vytvořili a která míchání popisuje, potřebovala více kvarků než byly tři v té době známé. Matice se nyní označuje jako CKM matice - Cabibbo-Kobayashi-Maskawa. Z počátku nebyla tomuto faktu věnována přílišná pozornost, ale objev čtvrtého kvarku c a hlavně pátého b, plně potvrdilo předpovědi modelu Kobajašiho a Maskawi. Mezony obsahující těžký kvark b pak umožnily ještě přesnější testování tohoto modelu. Proto je také ve zdůvodnění Nobelovy ceny uvedena předpověď další rodiny kvarků jako jeden z klíčových momentů práce obou fyziků.
Jak bylo zmíněno, ještě větší narušení CP-symetrie bylo předpovězeno pro neutrální mezony, které obsahují zmíněný druhý nejtěžší kvark b. Proto byla velká snaha postavit velké urychlovače, které by se specializovaly na produkci mezonů B. Nakonec byly postaveny dvě takové továrny na hromadnou produkci těchto mezonů. Jedna s názvem BaBar je ve Stanfordu na urychlovači SLAC a druhá s názvem Belle právě na pracovišti jednoho z nobelistů v laboratoři KEK. Na nich se podařilo velice přesně měřit jemné narušení CP-symetrie, které plně odpovídá předpovědím modelu Kobajašiho a Maskawi, oceněných Nobelovou cenou.
Ještě větší množství mezonů s těžkým kvarkem b bude produkovat ve svých srážkách urychlovač LHC. Na studium těchto mezonů a tím i na přesné měření narušení CP-symetrie se bude zaměřovat hlavně experiment LHCb na tomto urychlovači. Toto studium nebude jen dalším přesnějším testováním teorie Kobayashiho a Maskawi, ale má klíčový význam pro pochopení rozdílu mezi hmotou a antihmotou. Narušení CP-symetrie je jednou ze tří klíčových podmínek pro vznik přebytku hmoty nad antihmotou v raném Vesmíru, které poprvé formuloval Andrej Sacharov.
Studium tohoto narušení je tak nezbytné pro pochopení toho, že na počátku Vesmíru se všechna hmota a antihmota v obrovské anihilaci nepřeměnila na reliktní záření a malý přebytek hmoty zůstal. Díky tomuto přebytku mohly vzniknout galaxie, hvězdy, planety i my.
Nakonec mi dovolte vyjádřit můj čistě soukromý názor. Vyznamenaní fyzici a jejich odměněné práce jsou klíčové a o jejich aspiraci na takové ocenění se uvažovalo již dříve. Do jisté míry tím Nobelovský výbor splnil resty před příchodem éry LHC. Trošku se tak i pojistil pro případ, že se buď na Tevatronu nebo na LHC v příštím roce podaří objevit higgse. V tom případě bude mít Nobelovský výbor dobrý pocit při případném oceňování Petera Higgse a objevitelů higgsova bosonu, že hlavně Yoichiro Nambu ale i jeho kolegové Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa už své ceny obdrželi.
K symetriím ve fyzice, jejich významu, uplatnění a studiu v subatomové fyzice bych se někdy rád vrátil v rozsáhlejším článku pro čtenáře Osla. Tam se budu podrobněji věnovat i přínosu dnešních nobelistů.ˇ
Diskuze:
Jeste jednou dekuji
Martin Plesinger,2008-10-30 16:37:55
Neni za co se omlouvat. Diky za tipy.
Koukam ze 'Historie std. modelu u-sveta' je sice na strankach pana Dolejsiho ale pod textem je podepsan pan Horejsi :)
MP.
Literatura o Standardním modelu
Vladimír Wagner,2008-10-27 15:32:53
Omlouvám se za pozdní odpověď, ale zabrousil jsem sem až teď. Doporučení dám obecněji možná pro více čtenářů. Jde spíše o doporučení experimentátora a výběr na knížky vydané a dostupné v Česku. Populárním popisem, ale velice pěkným je článek "Historie standardního modelu mikrosvěta" od Jiřího Dolejšího, který je dostupný například zde: nc25.troja.mff.cuni.cz/dolejsi/historie_m4.doc. Dobrou knihou, psaná česky, je učebnice Josefa Žáčka z roku 2005 "Úvod do fyziky elementárních částic". Pokud chcete i matematičtější rigoróznější popis, mohla by se hodit kniha Jiřího Hořejšího z roku 2002 "Fundamentals of electroweak theory". Ta je sice zaměřena na elektroslabou interakci, ale jijí popis je spojen do značné míry i s tématem letošní Nobelovy ceny. Zahraničních existuje řada, ale problém je pak s jejich sháněním.
Dekuji
Martin Plesinger,2008-10-15 21:05:06
Dekuji za vysvetleni. Rozumim tomu tak, ze to vychazi ze struktury Standardniho modelu.
Rad bych se Vas jeste zeptal zda existuje nejaka kniha / ucebnice primo specializovana na vyklad Standardniho modelu, resp. jakou knihu byste doporucil. Co nejuplnejsi a, pokud mozno, co nejsrozumitelneji psana. Nedavno jsem se pustil do knizky Howarda Georgiho Lie Algebras in Particle Phyics, ale to je spise uvod do matematickeho aparatu, se kterym se clovek muze potkat.
Proč rodina tvořená dvěma kvarky a dvěma leptony?
Vladimír Wagner,2008-10-15 18:35:48
Pro symetrii mezi elementárními fermiony, jinak řečeno pro rovnost mezi počtem kvarků a leptonů celkově i v jednotlivých rodinách, existuje hlubší fyzikální důvod. Je tedy součástí teorie standardn9ho modelu. Tímto důvodem je vnitřní konzistence výpočtů založených na teorii elektroslabé interakce. Jde o velmi delikátní efekt některých přesně daných diagramů, které ve výpočtech figurují (tento efekt se nazývá ABJ anomálie - podle fyziků Adlera,Bella a Jackiwa). Existence těchto anomálií ohrožuje vnitřní konzistenci teorie elektroslabé interakce při poruchovém výpočtu. Aby anomálie v teorii nebyly, musí se příspěvky jistých diagramů leptonových a kvarkových vzájemně rušit. Aby to platilo musí platit v každé generaci, že součet nábojů všech fermionů v ní musí být nulový. ! Pozor ! náboje kvarků se musí počítat třikrát, protože máme tři různé barvy u kvarků. Tedy náboj Q = -1e + 3(2/3+(-1/3))=0.
Proc zrovna tri a tri rodiny?
Martin Plesinger,2008-10-12 08:32:59
Dekuji Vam za Vasi reakci. Muj puvodni dotaz byl spise filozoficky vykrik. Prislo mi vesele, ze nekdo dostal Nobelovu cenu "jen" za matici a v mladicke nerozvaznosti me zacaly napadat otazky jez jsem tu formuloval.
Kdyz uz jsme ale u toho, dovolil bych si jeste jeden dotaz. Pri vsi ucte, zda se mi, ze argument postaveny na poctu rodin leptonu, je ponekud "umely"; pokusim se vysvetlit nize. (Nehlede na to, ze, jak sam pisete, je obtizne prirozene vyloucit nejaky dalsi exoticky zpusob rozpadu Z bosonu souvisejici se ctvrtou rodinou leptonu obsahujici tezke neutrino. Souvislost s pomernym zastoupenim lehkych prvku vznikajich kratce po velkem tresku je mi zatim vzdalena.)
Standardni model v soucasne dobe pusobi velmi pekne, rekneme "ucesane". Nektere symetrie se zdaji byt fundamentalni (a muze se stat, ze i ty bude treba revidovat, treba v pripade, ze by se existenci Higgsova bosonu nepodarilo prokazat), jine se mi zdaji byt ponekud umele -- to je prave stejny pocet rodin kvarku a leptonu. Neni mi prilis jasne, zda je stejny pocet rodin predpokladem modelu, nebo objektivnim dusledkem matematicke teorie. Zda se nam existence stejneho poctu rodin jenom libi (a protoze jsme jich dosud vic nenasli, tak to akceptujeme) a nebo zda je tato symetrie nezbytnou soucasti teorie.
Samozrejme, nikdy nebudeme mit (matematicky presny) dukaz, ze se priroda chova prave tak, jak standardni model predepisuje. A nemaje experimentalni argumenty, jsou amaterske (mluvim o sobe :)) spekulace nad tim, zda je nebo neni standardni model dobrym modelem realneho, opet jen bohapustym filozofovanim.
Kazdopadne Vam jeste jednou dekuji za Vas cas, a mel-li byste chut a silu jeste natuknout (nebo me spis nakopnout :)) jak se veci maji ohledne shodneho poctu rodin, budu Vam velmi vdecny. Omlouvam se za rozvlacnost a nekonkretnost sveho vyjadrovani.
Může být čtvrtá rodina kvarků?
Vladimír Wagner,2008-10-11 13:02:35
Máte pravdu martine. CKM matice nevylučuje existenci další rodiny kvarků. Proto se také v komentáři o udělení Nobelovy ceny říká, že nobelisté prokázali, že existují alespoň tři rodiny kvarků. To, že si dnes myslíme, že jsou právě jen tři rodiny vyplývá z jiné úvahy a experimentálí evidence. Předpokládá se, že následující rodina kvarků by byla doprovázená i další rodinou leptonů. Tedy i dalším velmi lehkým neutrinem. V takovém případě by se boson Z mohl rozpadat i na toto čtvrté neutrino a jeho antineutrino. V tom případě by se existence tohoto kanálu rozpadu projevila e zkrácení jeho doby života. Velmi přesná měření doby života Z bosonů na urychlovači LEP ukázala, že existují jen tři různé kanály rozpadu na neutrino a antineutrino. Tedy jen tři rodiny kvarků s leptony, které obsahují lehké neutrino. Stejně tak se existence pouze tří typů lehkých neutrin dá získat z poměru množství lehkých prvků produkovaných během počátečních fází velkého třesku. Pochopitelně nelze vyloučit, že existuje další generace s těžkým neutrinem, ale není důvod, proč by mělo existovat tak odlišné neutrino.
CKM matice
Martin Plesinger,2008-10-10 12:17:45
Zdravim, jestli tomu dobre rozumim tak: Pokud existuji jen tri rodiny kvarku, pak CKM je unitarni (ortogonalni) matice. Jinymi slovy, pokud by se merenim koeficientu matice zjistilo, ze neni unitarni, museli bychom do modelu pridat dalsi rodinu kvarku, a matici rozsirit na 4x4 tak aby unitarni byla (a pak to overit merenim). Coz je vlastne mechanismus jakym oni predpovedeli rodinu 't', 'b'.
Matice popisuje hustoty pravdepodobnosti 'transmutaci' mezi jednotlivymi rodinami? Unitarnost (ortogolita) matice predpokladam souvisi se zakonem zachovanim energie. Myslite, ze by mohla existovat dalsi rodina jeste tezsich kvarku? Muj dojem je, ze model nevylucuje existenci tezsich kvarku -- a to jak fyzika (mereni -- koeficienty matice jsou zmereny jen s nejakou konecnou presnosti), tak matematika v pozadi (i kdyby matice byla presne unitarni, tak to neznena, ze nebude existovat dalsi rodina kvarku; jen by takove kvarky nebyli schopny 'transmutovat' do jinych rodin). Nevidim ale do struktury modelu. Toto jsou jen otazky co me napadly pri pohledu na CKM matici.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
