Нобелевская премия по физике

К радости учёных, занимающихся физикой элементарных частиц, Нобелевская премия 2008 г. была присуждена трём видным специалистам в этой области. Половина премии присуждена Йоширо Намбу (Чикагский уриверситет, США) «за открытие механизма спонтанного нарушения симметрии в субатомной физике». Другая половина присуждена совместно Макото Кобаяши (лаборатория физики высоких энергий КЕК, Япония) и Тошихидо Маскава (Институт теоретической физики им. Юкавы, Киото, Япония) «за открытие происхождения нарушенной симметрии, предсказывающей существование по меньшей мере трёх поколений кварков в природе».

Симметрия

Симметрия – очень общее понятие, играющее важнейшую роль в физике. Оно связано с идеей, что физическая ситуация не меняется в результате некоторых преобразований. Три новых лауреата изучали вопрос о том, каким образом сохраняются или нарушаются симметрии в физике элементарных частиц.

Три наиболее фундаментальные симметрии – это инвариантность относительно обращения времени Т, зарядовая инвариантность С и зеркальное отражение (чётность) Р. Для наглядности представьте микроскопическое взаимодействие нескольких частиц как взаимодействие биллиардных шаров. Инвариантность относительно обращения времени Т – это гипотеза о том, что кинолента с записью взаимодействий этих шаров будет выглядеть так же, как если бы её прокрутить в обратном направлении. Иначе говоря, если обратить время вспять, взаимодействие остаётся инвариантным.

Зарядовое сопряжение – это гипотетическая замена всех частиц на их античастицы. До середины 50-х гг. учёные считали, что такое преобразование оставляет неизменной фундаментальную физику взаимодействия. Чётность – преобразование отражения в зеркале (замена всех пространственных координат на противоположные). Считалось, что и при таком преобразовании физические взаимодействия не изменяются (остаются инвариантными).

Когда-то физики полагали, что Вселенная инвариантна относительно всех трёх этих преобразований. Но природа оказалась более сложно устроенной. Выяснилось, что большинство симметрий нарушаются. Изучение механизма этого нарушения и роль нарушенных симметрий в природе и есть главное содержание работ новых лауреатов.

Первая гипотеза о том, каким образом может быть нарушена симметрия между частицами и античастицами, была высказана Ч.-Н.Янгом и Т.-Д.Ли в 1956 г. Они предположили, что зеркальная симметрия или «чётность» Р должна нарушаться слабым взаимодействием. Одновременно было показано, что нарушается и С-симметрия (относительно замены частицы на античастицу, и наоборот). Эксперименты по распаду ядер кобальта (Ц.Ву, 1956 г.) подтвердили эту гипотезу. Янг и Ли получили Нобелевскую премию по физике в 1957г.

Спонтанное нарушение симметрии

Физики знают, что помимо энергии материя во Вселенной выступает в двух формах – в виде вещества и в виде антивещества. Во время Большого взрыва должно было образоваться равное количество вещества и антивещества, однако в сегодняшней Вселенной доминирует вещество: всего 1 «лишняя» частица вещества на каждые 10 млрд частиц антивещества. Нарушение симметрии – ключевое понятие современной физики – пытается объяснить те причины, которые позволяют обычной материи склонить баланс в свою сторону.

Работа Намбу связана со «спонтанным» (внезапным) нарушением симметрии, описывающим, каким образом нестабильные симметричные системы могут внезапно стать несимметричными. В 1960 г. Намбу исследовал вопрос о том, как спонтанное нарушение симметрии может заставить вещества стать сверхпроводящими. Он обнаружил, что тот же принцип может быть распространён на физику частиц.

Важность работы Намбу становится очевидной, если понять, что в ней, по существу, объясняется механизм спонтанного нарушения симметрии скалярным полем и механизм придания массы элементарным частицам за счёт этого нарушения. Этот механизм, называемый механизмом Хиггса, лежит в основе Стандартной модели элементарных частиц. Надежды на открытие хиггсовского бозона на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе во многом обусловлены пионерскими работами Намбу почти полувековой давности.

Матрица Кабиббо–Кобаяши–Маскавы

В начале 1970-х гг. Кобаяши и Маскава выдвинули объяснение того, почему СР-симметрия нарушается. Они следовали идеям выдающегося русского физика Андрея Дмитриевича Сахарова, указавшего, что крохотное нарушение СР -симметрии позволяет объяснить, почему во Вселенной количество материи сильно превосходит количество антиматерии. Нельзя не упомянуть и об итальянском физике Николя Кабиббо, работы которого послужили основой дальнейших исследований Кобаяши и Маскавы. К сожалению, устав Нобелевских премий не позволяет награждать умерших учёных, в противном случае имя Кабиббо обязательно было бы в списке награждённых.

Кобаяши и Маскава следовали гипотезе Кабиббо о смешивании кварков. Суть этой гипотезы состоит в том, что кварки u , d, s (только они и были известны в
1960-х гг.) выступают независимо в сильных взаимодействиях, но в виде некоторой смеси – в слабых взаимодействиях. Чтобы соблюдались некоторые обязательные квантово-механические условия смешивания, необходимо было наличие четвёртого кварка c. Однако схема с четырьмя кварками была СР -симметрична. Первые частицы, содержащие с-кварки, были обнаружены в 1972 г.

Главная заслуга Кобаяши и Маскавы состоит в том, что они показали, что наименьшее возможное количество кварков, при перемешивании которых возникает возможность СР-нарушения, равно шести. Так была предсказана шестикварковая модель адронов ( u, d, c, s, t, b). Матрица 6 ? 6 параметров смешивания получила название матрицы Кобаяши–Маскавы (ККМ). Одной из главных задач экспериментаторов в конце ХХв . было измерение элементов этой матрицы. В целом модель элементарных частиц, в которой имеются шесть кварков и шесть лептонов, полностью подтвердилась экспериментами. Осталось открыть только хиггсовский бозон (главная задача, стоящая перед экспериментами на БАК).