Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 43 (vyšlo 17. října), ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

43/2008

Udělení Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2008

Petr Kulhánek

Snad nejvíce Nobelových cen za fyziku bylo uděleno za pochopení světa elementárních částic. Letošní cena není výjimkou. V poslední době jsme ale svědky toho, jak se stírá rozdíl mezi dvěma dříve odlišnými vědními disciplinami: kvantovou teorií mikrosvěta a kosmologií megasvěta. Je to paradoxní a logické zároveň. Vždyť největší energie měly elementární částice právě v prvních fázích Velkého třesku. Svět extrémních energií elementárních částic můžeme tedy studovat na obřích urychlovačích, jakým je například LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na energie 14 TeV. Buduje se v komplexu urychlovačů CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009, s úplným provozem se počítá v roce 2012., nebo z všudypřítomných důsledků procesů při vzniku vesmíru. Jedním z nich je naše existence, prostý fakt, že žijeme ve světě hmoty a příroda nás ve stejném množství neobdařila částicemi z antihmoty. Tato zjevná nesymetrie má hluboké příčiny v základních vlastnostech přírodních sil a částic. Stejně tak můžeme vlastnosti raného vesmíru odvozovat ze současného zastoupení lehkých prvků a vůbec ze skladby elementárních částic a jejich rodin.

P symetrie

Představme si, že máme zajímavý přístroj, ve kterém jsou zastoupeny nejrůznější typy jevů (gravitační, elektromagnetické, silné i slabé). V přístroji tedy budou různá kyvadla, lasery, rozpadající se částice a třeba i malý termojaderný reaktor. Vedle přístroje postavíme zrcadlo a povoláme zdatného konstruktéra a zadáme mu úkol: Vyrobte nám přesně stejný přístroj podle obrazu v zrcadle! A konstruktér se začne snažit, všechny levotočivé šrouby vysoustruží jako pravotočivé a nakonec poskládá zrcadlový obraz přístroje. Této symetrii se říká P (paritní, levopravá) symetrie. Myslíte si, že nově zkonstruovaný přístroj bude fungovat stejně jako jeho originál?

Do roku 1956 fyzikové věřili v P symetrii. Pokud se týče gravitačních a elektromagnetických dějů, zcela jistě symetrie platí. V roce 1956 byly pozorovány slabé rozpady K⁺ mezonů, které nezachovávaly pravolevou symetrii. Zrcadlový obraz rozpadu vypadá jinak než obraz původní. K ověření tohoto důležitého tvrzení navrhli T. D. Lee a C. N. Yang experiment s izotopem kobaltuKobalt – Cobaltum, namodralý, feromagnetický, tvrdý kov. Používá se v metalurgii pro zlepšování vlastností slitin při barvení skla a keramiky a je důležitý i biologicky. Kov, který byl součástí rud využívaných k barvení skla, objevil roku 1735 švédský chemik George Bradnt. Co 60. Experiment provedla C. S. Wu z Kolumbijské university v roce 1957. Kobalt reaguje na magnetické pole. Proto byl izotop Co 60 podroben působení velmi silného magnetického pole za nízkých teplot. Magnetické momenty atomů kobaltu se při nízké teplotě zorientovaly ve směru magnetického pole. Předem tedy byl znám směr magnetického momentu atomů kobaltu (ve směru vnějšího magnetického pole). Atom kobaltu podléhá beta rozpaduBeta rozpad – β⁻: rozpad neutronů v atomovém jádře, jehož výsledkem je elektron, proton a elektronové antineutrino (slabě interagující antilepton).
β⁺: rozpad protonů v atomovém jádře, jehož výsledkem je pozitron (antičástice k elektronu), neutron a elektronové neutrino., při kterém se uvolňují elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl P. Dirac v roce 1928 a objevil C. Anderson v roce 1932. (beta rozpad je způsoben slabou interakcí, stejně jako rozpad K mezonůKaon – mezon složený z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením., pozorovaný v roce 1956). V experimentu se ukázalo, že ve směru orientace vnějšího pole vylétá méně elektronů než ve směru opačném. Narušení pravolevé symetrie tak bylo definitivně potvrzeno a Lee a Yang získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1957.

Při slabé interakci neplatí P symetrie. Dnes dokonce známe procesy, ve kterých pozorujeme 100 % narušení P symetrie. NeutrinaNeutrina – leptony, které nemají elektrický náboj. Neinteragují ani silně ani elektromagneticky, proto látkou většinou procházejí. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy. se například vyskytují jen v levotočivém provedení (točivostí rozumíme orientaci spinu vzhledem ke směru pohybu částice). Jak si to lze představit? Třeba takto: Myslete si, že neutrina jsou malé střely vystřelované z hlavně pušky. A v přírodě jsou jen hlavně s levotočivým drážkováním, které neutrina vždy roztočí (vlastní točivost je v tomto podobenství spin) jen doleva. Náš konstruktér by přístroj nedokázal vůbec vyrobit, neměl by totiž k dispozici pravotočivá neutrina.

CP symetrie

Zadejme tedy našemu všehoschopnému konstruktérovi jiný úkol: vyrobte přístroj podle zrcadlového obrazu, ale z antičástic! (Takovou symetrii nazýváme CP, C je z anglického „Charge“ neboli náboj a P ze slova Parita.) Bude již nyní fungovat stroj stejně? Bohužel. V roce 1964 byly pozorovány rozpady levotočivého kaonuKaon – mezon složený z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením. K_0L mezonu na pionyPion – mezon s nulovým spinem složený z kvarků u a d. π⁺ a π⁻, které sice málo, ale přece jen narušují i CP symetrii (z 22 700 případů bylo 45±9 narušeno). Za tato pozorování získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1980 J. W. Cronin a V. Fitch.

Narušení CP symetrie mělo za následek převládnutí hmoty nad antihmotouAntihmota – látka složená z antičástic, které mají oproti částicím opačná znaménka všech kvantových nábojů. Atomární jádra jsou u antihmoty tvořena antiprotony a antineutrony, atomární obaly jsou složené z pozitronů. při vzniku vesmíru. V té době by měly existovat polní částice X a Y způsobující přechody mezi kvarkyKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. a leptonyLeptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové mionové a tauonové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektromagnetické (pokud jsou nabité).. Díky narušení CP symetrie proběhly tyto procesy nesymetricky a vedly k velmi malému porušení rovnováhy mezi hmotou a antihmotou. Zhruba na jednu miliardu reakcí oběma směry proběhlo o jednu reakci více směrem k hmotě. Když se vesmír dostatečně ochladil, došlo k anihilaci látky a antilátky. Při anihilaci však na každou miliardu částic a antičástic zbyla díky narušení CP symetrie jedna částice. Právě z nich je postaven dnešní vesmír. Narušení CP symetrie má ale i další důsledky.

V 60. letech zjistil italský fyzik Nicola Cabibbo, že kvarky d a s jsou ve skutečnosti směsicí dvou základních stavů a na jeho počest se úhel mixování nazývá Cabbibův úhel. Matematicky se pro mixování stavů totiž využívá transformace analogická rotaci:

d = + q₁·cos θ_C+ q₂·sin θ_C,

s = – q₁·sin θ_C+ q₂·cos θ_C.

Je jasné, že jde o mísení kvarků prvních dvou generací, které nezachovává vůniVůně – základní kvantová vlastnost leptonů a kvarků. Nejde o skutečnou vůni, ale o vlastnost, která vyjadřuje druh částice. Leptony mají šest vůní: elektron, elektronové neutrino, mion, mionové neutrino, tauon, tauonové neutrino. Kvarky mají také šest vůní: down (dolů), up (nahoru), strange (podivnost), charm (půvab), bottom (spodní), top (horní). kvarků a vysvětluje rozpady podivných částic obsahujících s kvark (například kaonůKaon – mezon složený z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením.) na částice bez s kvarku (například pionyPion – mezon s nulovým spinem složený z kvarků u a d.). Na Cabbibovu práci navázali v roce 1973 japonští fyzikové Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa, kteří předpověděli, že bude existovat třetí generace kvarků a mísení bude probíhat napříč generacemi mezi kvarky d, s a b. Výsledná matice mixážních úhlů je 3×3 a nazývá se CKM matice (Cabbibo – Kobayashi – Maskawa). Koncept CKM matice vedl k hlubšímu pochopení narušení CP symetrie a obecně k mísení stavů částic s různými vůněmiVůně – základní kvantová vlastnost leptonů a kvarků. Nejde o skutečnou vůni, ale o vlastnost, která vyjadřuje druh částice. Leptony mají šest vůní: elektron, elektronové neutrino, mion, mionové neutrino, tauon, tauonové neutrino. Kvarky mají také šest vůní: down (dolů), up (nahoru), strange (podivnost), charm (půvab), bottom (spodní), top (horní).. Za své práce získali Kobayashi a Maskawa Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2008. Samozřejmě, že tímto rozhodnutím byl poškozen Cabbibo, bez jehož práce by CKM matice nikdy nevznikla. Sám Cabbibo odmítl vzniklou situaci komentovat, řada uznávaných vědců ale proti tomuto postupu protestuje.

Nicola Cabibbo, muž, který vše odstartoval, ale Nobelova cena na něho nezbyla.

Spontánnímu narušení symetrie ve světě elementárních částic se detailně věnoval další japonský a později americký fyzik Yoichiro Nambu, který získal polovinu Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2008. Nambu zavedl také barvu kvarků jako základní kvantový náboj silné interakce a je spoluzakladatelem strunových teorií elementárních částic.

V roce 2004 byly prováděny experimenty s rozpady B mezonů a jejich antičásticových protějšků v detektoru BABARBABAR – B and B-bar experiment. Experiment ve Stanfordu, kterému se přezdívá B-factory (továrna na beautonium, vázaný stav bb′). na Stanfordském lineárním urychlovačiSLAC – Stanford Linear Accelerator Center, přes 3 kilometry dlouhý lineární urychlovač patřící Stanfordské universitě v Kalifornii. Urychlovač je v provozu od roku 1962. v USA (viz AB 47/2004). Kdyby neexistoval žádný rozdíl mezi působením silné interakce ve světě částic a antičástic, měly by se oba druhy částic statisticky rozpadat stejně. Rozpad obou částic má řadu možností, z nichž byl také sledován relativně vzácný rozpad na dvojici kaonKaon – mezon složený z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením. a pionPion – mezon s nulovým spinem složený z kvarků u a d.. Po proměření 200 milionů záznamů se ukázalo, že se v 910 případech B mezon rozpadl na kaony a piony, ale jen v 606 případech proběhl rozpad anti B mezonu na tyto částice. V původních experimentech s kaony proběhlo narušení CP symetrie ve dvou rozpadech z tisíce, tj. v 0,2 procentech případů. V nových experimentech na zařízení BABAR jde o 13 procentní rozdíl mezi oběma mody (rozdíl činí 214 případů z celkem 1606 rozpadů).

Nobelova cena v roce 2008

Nobelova cena je udílena švédskou Královskou akademií jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Nobelova cena činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů Kč.

V roce 2008 byla udělena Nobelova cena za fyziku takto: Jednu polovinu získal Yoichiro Nambu za objev mechanismu spontánního narušení symetrie v subatomové fyzice a druhou polovinu společně Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa za objev původu narušení symetrie a předpověď existence nejméně tří rodin kvarků.

Yoichiro Nambu (1921)

Americký fyzik japonské národnosti. Při studiu supravodivosti pozoroval narušení symetrie a jako první tento pojem přenesl do částicové fyziky. Myšlenka narušení symetrie se stala ústředním kamenem standardního modelu. Narušení symetrie pomocí Higgsových bosonů se později stalo nedílnou součástí elektroslabého sjednocení. Je otcem teorie silné interakce (kvantové chromodynamiky), navrhl existenci barevného náboje kvarků. Je jedním ze zakladatelů teorie strun. Za svůj objev mechanismu spontánního narušení symetrie získal v roce 2008 polovinu Nobelovy cenu za fyziku.

Makoto Kobajaši (1944)

Japonský fyzik, který se zabývá slabou interakcí a narušením symetrie. Spolu s Maskawou navázali na práce Cabibba a navrhli, že kvarky d, s, b jsou směsicí tří základnějších stavů kvarků. Matice popisující koeficienty této mixáže se nazývá CKM matice (podle počátečních písmen objevitelů). Teoreticky tak předpověděli existenci třetí generace kvarků. V roce 2008 dostal za tento objev a navazující předpověď existence nejméně tří rodin kvarků čtvrtinu Nobelovy cenu za fyziku. Pracuje v Yukawově ústavu teoretické fyziky (YITP) na Kjótské univerzitě.

Tošihide Maskawa (1944)

Japonský fyzik, který se zabývá slabou interakcí a narušením symetrie. Spolu s Kobajašim navázali na práce Cabibba a navrhli, že kvarky d, s, b jsou směsicí tří základnějších stavů kvarků. Matice popisující koeficienty této mixáže se nazývá CKM matice (podle počátečních písmen objevitelů]. Teoreticky tak předpověděli existenci třetí generace kvarků. V roce 2008 dostal za tento objev a navazující předpověď existence nejméně tří rodin kvarků čtvrtinu Nobelovy cenu za fyziku. Pracuje v High Energy Accelerator Research Organisation v Cukubě.

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu