Fizikai Nobel-díj spontán szimmetriasértésért

Ahogyan az a nagy hadronütköztető indításával kezdődő korszak elején talán várható volt, alapvető részecskefizikai eredményekért ítélték oda az idei fizikai Nobel-díjat, az amerikai Yoichiro Nambu, illetve a japán Makoto Kobayashi és Toshihide Maskawa kutatóknak megosztva - jelentette be kedden Stockholmban a Karolinska Intézet illetékes bizottsága. Nambu fedezte fel a részecskefizikában az úgynevezett spontán szimmetriasértés mechanizmusát. Kobayashi és Maskawa a szimmetriasértés eredetét derítette fel, és ezzel megjósolták, hogy legalább 3 kvarkcsalád létezik a természetben.

Antianyag nyomai - szimmetriasértés nélkül ma anyag sem létezhetne

Az ókori görögök óta egészen a XIX. századig úgy vélték a laikusok és szakemberek egyaránt, hogy a természetben szép szimmetrikus rend van. A hétköznapi életben is gyakran használt szimmetriafogalom különleges helyet foglal el a fizikában. Wigner Jenő ismerte fel, hogy a szimmetriaelvek éppúgy meghatározzák a természettörvények formáját, ahogy a törvények az egyes események közti összefüggéseket. Minden szimmetria egy megmaradási törvényt generál. A szimmetria-transzformáció olyan transzformáció, amely változatlanul hagyja az adott fizikai törvényt, az azt leíró egyenletet. A geometriai szimmetria-transzformációk a geometriai tér homogenitását és izotrópiáját, valamint az idő izotrópiáját fejezik ki. Ezeknek a következménye az impulzus, az impulzusmomentum és az energia megmaradása. A dinamikai szimmetriák speciális kölcsönhatás-típusokra vonatkoznak.

A fizikusok sokáig úgy vélték, hogy a fizika törvényei töltésszimmetrikusak, vagyis egy antianyag-atom ugyanúgy viselkedik, mint megszokott atomjaink. Szimmetrikus világképünkön több mint negyven éve született az első repedés. Hatalmas megdöbbenést váltott ki a fizikusok körében, hogy a kvantumfizika által leírt radioaktív bomlásokban, a gyenge kölcsönhatásban sérül a térbeli szimmetria. Kiderült, hogy a gyenge kölcsönhatásban a részecskék képletesen szólva jobbkezesek vagy balkezesek. Ha képzeletben tükörben néznénk őket, akkor a béta-bomlásban a tükörben a jobbkezes részecske balkezessé válik, megváltozik a kép, sérül a szimmetria. Ezt a térbeli tükrözést hívják paritásnak, amit P-vel jelölnek. Hamarosan kiderült, hogy a töltésszimmetria is sérülhet, ha a gyenge kölcsönhatásban részecske alakul át antirészecskévé, vagy fordítva.

A töltésszimmetria sérülése, a C-sértés (C = charge, töltés) felfedezése után megállapították, hogy a külön-külön végbemenő P- és C-sértés kompenzálja egymást, így az egyesített CP-szimmetria nem sérül. A CP-"tükörben" a balkezes részecskéből jobbkezes antirészecske lesz. Ez a megnyugtató helyzet azonban csak néhány évig állt fenn, mivel 1964-ben olyan részecskefizikai folyamatot fedeztek fel, amelyben nem érvényesült a CP-szimmetria, azaz CP-sértésre bukkantak. (Mai tudásunk szerint a CP-szimmetria esetenként sérül, viszont a CPT hármas szimmetria kivétel nélkül, mindig érvényesül, ahol a T (time) a harmadik tükrözés, az időtükrözés. A CPT-szimmetria érvényesülése azt jelenti, hogy az anyagot antianyagra cserélve, a Világegyetemet tükörben nézve és az idő irányát megfordítva a kísérletek ugyanahhoz az eredményhez vezetnek, mint valódi világunkban.)

A CP-sértést vizsgáló részecskefizikai kísérletek főszereplői a K-mezonok, más néven kaonok voltak, ezek két kvarkból felépülő semleges mezonok. (A két kvarkból álló részecskék közös neve mezon.) A kaonok nem stabilak, elbomlanak, és bomlásuk többféle módon, más-más végeredményre vezetve mehet végbe. A különböző bomlásformák összehasonlító elemzésével mutatták ki a CP-sértést.

A most Nobel-díjjal kitüntetett Makoto Kobayashi és Toshihide Maskawa 1972-ben dolgozta ki elméletét. A Standard Modell keretében magyarázatot adtak a szimmetriasértésére, de ehhez merész feltételezéssel kellett élniük. Modelljük csak akkor működött, ha három kvarkcsalád létezését tételezték fel, pedig akkor még csak egyetlen család volt ismert. A kutatók által megjósolt két kvarkcsalád tagjait a következő években rendre megtalálták a kísérleti fizikusok, fényesen igazolva a japán kutatók elméletét. Később a B-mezonoknál megfigyelt szimmetriasértés is igazolta Kobayashi és Maskawa számításait.

Toshihide Maskawa, Makoto Kobayashi és Yoichiro Nambu

A részecskefizika mai átfogó elmélete, a Standard Modell szerint egy másik mezon, a semleges B-mezon bomlásainál erősebben, tehát könnyebben megfigyelhetően jelentkeznek a kaonoknál tapasztalt aszimmetriák. A B-mezon is két kvarkból felépülő bomlékony részecske, benne a K-mezon "ritka" kvarkja helyébe egy jóval nehezebb "alsó" kvark kerül. Az elmúlt években különleges, kifejezetten a B-mezonok előállítására szolgáló részecskegyorsítókat építettek Japánban (Tsukuba) és az Egyesült Államokban (Stanford), ezeket B-gyáraknak (B factory) hívja a szakmai zsargon. Sokmillió B-mezon pár átalakulásának adatait elemezték ki eddig, és azt a következtetést vonták le, hogy valóban jelentkezik CP-sértés a B-mezonok bomlásánál. A kaonok után tehát még egy részecskénél kimutatták a szimmetriasértő folyamatok fellépését.

A CERN jövőre üzembe lépő óriásgyorsítójánál, az LHC-nál is végeznek majd B-mezonos kísérleteket a szimmetriasértés részleteinek tanulmányozására. Az Ősrobbanás után egyenlő mennyiségben keletkezett anyag és antianyag, ma az általunk ismert Világegyetem viszont csak anyagból áll. Az Ősrobbanás után az egyenlő mennyiségű kétféle összetevő tehát nem semmisítette meg egymást teljesen (nem sugárzott szét), ez pedig a szimmetria érülésének köszönhető. A folyamat pontos részletei ma még nem ismeretesek, éppen ezért képezik intenzív kutatások tárgyát a szimmetriasértő folyamatok.

Yoichiro Nambu az elemi részecskefizikában megfigyelt spontán szimmetriasértés matematikai leírását dolgozta ki. 1960-ban publikált elmélete a Standard Modell, a részecskefizika átfogó elméletének fontos részévé vált. A vákuumot korábban egy olyan absztrakt állapotnak tekintették, amely a kvantumfluktuációktól eltekintve üres. Nambu várható értékeket határozott meg különböző terekre. Elmélete ma is fontos szerepet játszik azoknak az alacsonyenergiájú részecskefizikai folyamatoknak a számításában, ahol az erős kölcsönhatást leíró kvantumszín-dinamika nem működik.

A spontán szimmetriasértés a tudomány sok területén játszik fontos szerepet. Például egy fázisátmenet is gyakran a szimmetria spontán sérülésének a következménye. A jelenség fellép a kondenzált anyagok fizikájában, a kozmológiában, a kémiában és a biológiában is.

Ajánlat: Orvosi-élettani Nobel-díj 2008