Нобелівська премія з фізики - 2008 • Ігор Іванов • Новини науки на "Елементи" • Нобелівські премії, Фізика

Нобелівська премія з фізики – 2008

Лауреати Нобелівської премії з фізики за 2008 рік: Йоітіро Намбу, Макото Кобаяші і Тосіхіде Маскава (зображення з сайту nobelprize.org)

Нобелівську премію з фізики за 2008 рік отримають два японця – Макото Кобаяші і Тосіхіде Маскава, а також американець японського походження Йоітіро Намбу. Всім трьом премія присуджена за роботи по порушенню симетрій в світі елементарних частинок, хоча ці роботи відносяться до різних епох, а самі симетрії – до різних взаємодій.

Новий погляд на динаміку адронів

У далекому 1960 році ніякої Стандартної моделі фізики елементарних частинок не було і в помині. Адронний фізика представляла з себе справжню мішанину. На той час в експериментах на протонних синхротронах вже було відкрито кілька десятків різноманітних сильно взаємодіють один з одним часток – адронів – з найрізноманітнішими масами, зарядами, часом життя і каналами розпаду. Фізикам були зрозумілі ні «призначення» цих частинок, ні їх взаємозв'язок один з одним, на той момент не було навіть розумної схеми класифікації цих адронів.

Поки багато фізиків билися над пошуком осмисленої систематики адронів (що через кілька років призвело до ідеї кварків),Йоітіро Намбу (Yoichiro Nambu) разом з італійським фізиком Йона-Лазін опублікували дві статті, в яких запропонували абсолютно новий погляд на суть деяких адронів. Спираючись на більш ранні роботи Намбу за надпровідності, вони продемонстрували глибоку аналогію між надпровідність і адронной фізикою і на підставі неї побудували незвичайну модель взаємодії елементарних частинок.

Ця модель спочатку виглядала зовсім несхожою на реальний світ адронів. Вона будувалася на основі аналогів протонів і нейтронів, але тільки дуже легких, в ній не було мезонів, зате присутня якась нова симетрія (кірального симетрія). Однак, проаналізувавши наслідки цієї моделі, автори побачили, що в ній відбувається примітне явище – спонтанне порушення киральной симетрії. Завдяки йому з частинками в цій моделі відбувалися метаморфози: з'явилися мезони (як зв'язані стани ферміонів, аналог куперовских пар в надпровіднику), а самі ферміони ставали набагато важче, і їх уже можна було ототожнювати з протонами і нейтронами.

Це ні багато, ні мало привело до переосмислення фізичної суті адронів.Раніше вони виглядали шматочками «непорушною матеріальної сутності», вільно летять крізь вакуум, який на них ніяк не впливав. Тепер же через «гри силових полів» адрони стали квазічастинками, об'єктами, знаходить свою матеріальну сутність завдяки незвичайним властивостям вакууму.

Дуже показовою є така цитата з піонерської статті Намбу і Йона-Лазін:

«Хоча наш модельний гамільтоніан дуже простий, він призводить до результатів, які сильно нагадують характеристики реальних нуклонів і мезонів. Дуже привабливим є те, що як маса нуклона, так і сам Псевдоскалярний «пі-мезон» мають один і той же динамічний походження … Відповідно до нашої моделлю, пі-мезон є не первинним джерелом сильного взаємодії, а лише побічним ефектом. Первинне взаємодія поки не відомо ».

Буде, напевно, справедливо сказати, що саме після цих робіт фізики відчули, що за мішаниною адронів криється якийсь новий пласт будови нашого світу, в якому динамічні явища не просто впливають на поведінку частинок, але змінюють саму їх матеріальну сутність.Подальші успіхи теорії сильних взаємодій (кварки, глюони, конфайнмент і квантова хромодинамика) тільки підтвердили правильність цього погляду на речі. Але що разюче – незважаючи на всі сучасні досягнення, модель Намбу-Йона-Лазін (скорочено, модель NJL) в злегка модифікованому вигляді до сих пір, через півстоліття після її створення, активно використовується в деяких розрахунках – настільки точно в ній була уловлена ​​суть адронной фізики.

А сама ідея спонтанного порушення симетрій в світі елементарних частинок стала активно розроблятися теоретиками, і згодом з неї виріс і хіггсовський механізм порушення електрослабкої симетрії, і інші типи порушених симетрій.

Внесок Намбу в розвиток фізики елементарних частинок зовсім не обмежується цією моделлю. Намбу був серед тих, хто додумався до ідеї «кольору» кварків, він побудував одну з перших кваркових моделей (яка, втім, потім експериментально не підтвердилася), він усвідомив, що при видаленні кварків один від одного силові лінії між ними натягуються у вигляді струни . Це, до речі, стало першим кроком на шляху до теорії струн, і зараз всі підручники з теорії струн починаються з вивчення струн Намбу-Гото.

Подвійне життя кварків

Досягнення Кобаяші і Маскави відноситься до іншої епохи і до іншої симетрії. Все почалося з того, що слабка взаємодія адронів виявилося влаштовано набагато більш хитро, ніж сильне. У 1964 році було відкрито, що в розпаді К-мезонів порушується так звана CP-симетрія. CP-симетрія означає, що всі властивості античастинок збігаються з властивостями звичайних частинок в дзеркально-відбитому просторі. Фізикам це рівноправність між частинками і античастинками здавалося дуже природним, і тому відкриття його порушення в слабких взаємодіях стало великою несподіванкою.

Коли настала ера кварковой моделі, стало ясно, що CP-порушення повинно виникати через слабких взаємодій кварків. Але як описати це порушення, було незрозуміло.

Кварки d і s як вектора в абстрактному просторі. Кваркової набір з певними масами (d, s) зовсім не збігається з набором кварків з певними характеристиками щодо слабкої взаємодії (d ', s'), а повернуть щодо нього (зображення з сайту nuclphys.sinp.msu.ru)

Потім послідувала глибока здогадка ще одного італійського фізика, Миколи Кабиббо. Він зрозумів, що при слабкій взаємодії народжуються кварки без будь-якої маси. Увага! – це не означає, що народжуються кварки з нульовою масою.Ні, кварки народжуються в деякому змішаному стані, якому взагалі неможливо приписати ніякого значення маси.

Це може здатися дивним з життєвої точки зору, але для квантових частинок це цілком нормально. Просто кваркові стану з певним типом взаємодії і кваркові стану з певною масою – це не ідентичний набір, і не зовсім різний набір, а як би різний погляд на одні і ті ж кварки. Кварк, який народився в слабких взаємодіях, – це суміш кварків з певними масами, а кварк з певною масою – це суміш кварків з різним типом взаємодії.

Кобаяші і Маськава зробили наступний крок в цьому напрямку. Технічно цей крок був, може бути, і невеликим, але він привів до кардинального стрибка в розумінні явища. Вони довели, що CP-порушення може «вторгнутися» в світ адронів саме через це змішування. Правда, для того щоб це здійснити, відкритих на той момент кварків не вистачало, і тоді японці постулювали існування ще одного кваркового покоління. Це пророцтво було згодом блискуче підтверджено експериментально: b-кварк був відкритий чотири роки по тому, а важкий t-кварк – в 1995 році.Зараз стаття Кобаяші і Маскави – друга за кількістю цитувань за всю історію фізики елементарних частинок.

Отже, виходить, що CP-порушення в розпаді адронів виникає через якогось особливого, «кособокого» погляду на кварки, яке «виробляється» у частинок-переносників слабкої взаємодії. Чому так виходить – невідомо досі. Незрозуміло навіть, що саме в цьому винне – кварки або слабка взаємодія. Фізики підозрюють, що шукати відповідь треба в пристрої хіггсовского механізму, і сподіваються, що експерименти на Великому адронному колайдері дуже їм в цьому допоможуть.

На роботах Кабиббо, Кобаяші і Маскави базується сучасна теорія CP-порушення і взагалі слабких взаємодій між кварками. Математично вона описується за допомогою матриці, що носить їх імена (скорочено, CKM-матриця). Числа, які стоять в цій матриці, характеризують змішування кварків і силу CP-порушення. Ці числа були непогано визначені в останні роки завдяки всебічному вивченню розпадів B-мезонів в експериментах BaBar і Belle. На Великому адронному колайдері, перш за все в експерименті LHCb, передбачається вивчити ці параметри ще краще і, можливо, дізнатися їх походження.

На закінчення

Читач, можливо, звернув увагу, що в обох історіях фігурували італійські фізики: Йона-Лазін і Кабиббо. Жоден з них Нобелівську премію не отримав, хоча їх внесок, на думку багатьох фахівців, був порівнянний із внеском лауреатів. Рішення Нобелівського комітету вже викликало безліч здивованих і розчарованих коментарів, перш за все від італійських фізиків. На жаль, одна з умов нагородження Нобелівською премією – не більше трьох лауреатів. Тому такі ситуації, мабуть, неминучі, а пересуди про те, хто гідний більше, а хто – менше, будуть повторюватися з року в рік.

Оригінальні статті лауреатів:

  • Y. Nambu, G. Jona-Lasinio. Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity. I // Physical Review 122, 345-358 (1961). Стаття у відкритому доступі.
  • Y. Nambu, G. Jona-Lasinio. Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity. II // Physical Review 124, 246-254 (1961). Стаття у відкритому доступі.
  • M. Cobayashi, T. Maskawa. CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction // Progress of Theoretical Physics (1973) .V. 49. No. 2. P. 652-657. Стаття у відкритому доступі.

Додаткові посилання:

  • Прес-реліз Нобелівського комітету про присудження Нобелівської премії з фізики – 2008.
  • Broken Symmetry (PDF, 260 Кб) – текст Нобелівського комітету про історію та наукову цінність робіт Намбу і Кобаяші-Маскави.
  • М. К. Волков, А. Е. Раджабов. Модель Намбу-Йона-Лазініо і її розвиток // УФН, 176, 569 (2006).
  • Nobel Prize in Physics to particle theorists! – повідомлення в блозі Tommaso Dorigo, що викликало живе і цікаве обговорення.

Ігор Іванов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

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