Nobelpriset i fysik 2008

Transkript

1 Nobelpriset i fysik 2008 Varför finns det någonting istället för ingenting? Varför finns det så många olika elementarpartiklar? Årets Nobelpristagare har kommit med teoretiska insikter som har gett en djupare förståelse för vad som händer djupt inne i materiens minsta vrår. Julfesten Paul Hoyer Helsingfors Universitet 1

2 "for the discovery of the mechanism of spontaneous broken symmetry in subatomic physics" "for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature" Photo: Universtity of Chicago Photo: KEK Photo: Kyoto University Yoichiro Nambu Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa 1/2 of the prize 1/4 of the prize 1/4 of the prize b (in Tokyo, Japan) b b USA Japan Japan

3 Nobel winners recall postwar struggles: Research-hungry academics left misery, economic chaos in Japan to blaze own challenging trails in U.S. Shimomura, a Kyoto native born in 1928, experienced the Aug. 9, 1945, atomic bombing of Nagasaki as a 16-year-old. The A-bomb attack "changed my views toward life," Shimomura said at his office in Wood's Hole, Mass., as herecalled his early days. His home was in a Nagasaki suburb 12 km from the city center. "Corpses were moved from the city every day. I can't think of any other word than misery." Nambu, who won the physics prize for discoveries in the world of subatomic physics, also recalled his early days in a separate interview in Chicago, where he still teaches at the University of Chicago. Nambu said he first obtained a position as a researcher at the University of Tokyo in 1946, but the social and economic situation at the time was far from conducive to academic studies. "Every morning on a train to my office, I almost couldn't move because I was so hungry. So I decided to live in my office," he said. For the next three years, Nambu said he devoted himself to his research during the day and placed a straw mat on an experiment table to sleep on at night. His big chance came in 1952, when his mentor gave him an opportunity to study at Princeton. "It was like heaven. I could drive a car on the campus, got invited to parties," he recalled. 3

4 Yoichiro Nambu 4 b (in Tokyo, Japan) Sc.D., Tokyo, Japan, 1952 Harry Pratt Judson Distinguished Service Professor Emeritus, Dept. of Physics and Enrico Fermi Institute, U. of Chicago I have always been interested in the problem of mass hierarchy of particles. In this connection I have been exploring certain new aspects of spontaneous symmetry breaking. In 2002 I discovered a theorem on an anomaly in the number and the properties of Nambu- Goldstone bosons. This has led me to speculate on the possible violations of Lorentz invariance in free space. I also found that such quasiparticles, when regarded as classical particles, have peculiar non-newtonian behavior that the effective mass can go negative (v and p in opposite directions) in a certain range of momentum, and the initial position and velocity of a particle do not uniquely determine its motion. In a more recent development, I have found a formulation of the so-called BEC-BCS crossover phenomenon, and I am looking into its general implications in physics. Dannie Heineman Prize for Mathematical Physics, 1970 National Academy of Sciences, 1971 American Academy of Arts and Sciences, 1971 J. Robert Oppenheimer Prize, 1976 Order of Culture awarded by Government of Japan, 1978 Harry Pratt Judson Distinguished Service Professor, 1978 National Medal of Science, 1982 Japan Academy (Honorary Member), 1984 Max Planck Medal, 1985 Dirac Medal, International Center for Theoretical Physics, Trieste, 1986 Honorary Doctor of Science, Northwestern University, 1987 J. J. Sakurai Prize, American Physical Society, 1994 Wolf Foundation Prize in Physics, Gian Carlo Wick Commemorative Medal, World Federation of Scientists, 1995 Honorary degree, Osaka University, 1996 Foreign Fellow, Georgian Academy of Sciences, 1996 N. Bogoliubov Prize, Joint Institute for Nuclear Research, 2003 Benjamin Franklin Medal, 2005 Nobel Prize for Physics, 2008

5 5 Cited 482 times Cited 194 times Cited 2979 times

6 Awards : 1) 1979 : Nishina Memorial Prize (Nishina Memorial Foundation) 2) 1985 : J.J.Sakurai Prize (American Physical Society) 3) 1985 : The Japan Academy Prize (The Japan Academy) 4) 1995 : Asahi Prize (Asahi Shinbun) 5) 1995 : Chunichi Cultural Prize (Chunichi Shimbun) 6) 2001 : The Person of Cultural Merit Award (Agency for Cultural Affairs) 6

7 Toshihide Maskawa Kyoto Sangyo University; Yukawa Institute for Theoretical Physics (YITP), Kyoto University 7

8 Cited 5527 times 8

9 9 Nicola Cabibbo L'AMAREZZA DEI FISICI ITALIANI - C'è tanta amarezza nella comunità dei fisici italiani per la mancata assegnazione del Nobel a Nicola Cabibbo, presidente della Ponteficia Accademia delle Scienze. Emerge chiaramente dalle dichiarazioni di Roberto Petronzio, presidente dell'istituto nazionale di fisica nucleare (Infn). «Sono lieto che il premio Nobel sia stato attribuito a questo settore della fisica. Tuttavia, non posso nascondere che questa particolare attribuzione mi riempie di amarezza». Penso che questo Nobel sia stato un grosso errore» dice Giorgio Parisi (ascolta l'audio), docente di Fisica Teorica all Università di Roma "La Sapienza". UN ALTRO ITALIANO ESCLUSO - Oltre a Nicola Cabibbo, c'è anche un altro italiano ad essere stato esclusodal Nobel: come quelle di Cabibbo, anche le ricerche di Giovanni Jona-Lasinio «sono indissolubilmente legate a quelle dei vincitori». Lo rileva il direttore del dipartimento di Fisica dell'università di Roma La Sapienza, Giancarlo Ruocco, dove entrambi i ricercatori italiani lavorano. Così come il nome e il contributo di Cabibbo è indissolubilmente legato a quello dei colleghi giapponesi premiati, Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa, il contributo di Jona-Lasinio è strettamente legato a quello del terzo premiato, l'americano di origine giapponese Yoichiro Nambu».

10 CP-brott enligt Kobayashi - Maskawa (I) 10 Den svaga växelverkan omvandlar leptoner och kvarkar, samt bryter laddningsymmetri C (e + e ), paritet P (x x) och CP T (t t) 1 _ ν e µ ν µ e W cosθc d u W _ ν e e K sinθc u _ µ ν µ e ν e K (sū) µ ν µ n pe ν e s W _ ν µ µ Cabibbo (1963) introducerade koefficienterna cosθc för ūd W vertexet samt sinθc vid ūs W vertexet, och kunde sålunda säkra en gemensam kopplingsstyrka för svaga sönderfall, förutsatt att sinθc 0.23.

11 CP-brott enligt Kobayashi - Maskawa (II) 11 Smakförändrande neutrala strömmar finns inte: Γ(K 0 µ + µ ) Γ(K µ ν µ ) Detta föranledde Glashow, Iliopoulos och Maiani att postulera en fjärde kvark: charm-kvarken c (1970) W och Z kopplar till d, s som är lineära kombinationer av d, s : ( d s ) = _ K 0 _ d s K 0 / µ + Z 0 µ µ + µ ( )( ) cos θc sin θ C d sin θ C cos θ C s W (ūd + cs ) = W (ūd cos θ C +ūs sin θ C ) + W ( cd sin θ C + cs cos θ C ) (enligt Cabibbo) Z( d d + s s )=Z( dd + ss) Inget Z ds vertex! Charm-kvarken hittades experimentellt vid november-revolutionen 1974.

12 CP-brott enligt Kobayashi - Maskawa (III) uppmätte Cronin, Fitch, et al: KL π + π, vilket bröt CP-symmetrin. CP-brottet innebär bl.a., att partiklar och antipartiklar kan ha olika egenskaper: Γ(K L π e + ν e ) > Γ(K L π + e ν e ) vilket gör det möjligt att skilja på materie och antimaterie. För att en teori skall kunna beskriva CP-brott måste den ha en genuint komplex parameter, d.v.s. en konventionsoberoende komplex fas. T.ex. Cabibbo-matrisen är en unitär matris som kan ha komplexa element, men den kan genom val av en lämplig konvention alltid skrivas i reell form. ( ) cos θc sin θ C sin θ C cos θ C

13 CP-brott enligt Kobayashi - Maskawa (IV) 13 Kobayashi och Maskawa föreslog 1973 att CP-brottet kunde förstås om det fanns en tredje generation av kvarkar, (t b). Den unitära CKM-matrisen som ger sambandet mellan (d, s, b ) och (d, s, b) är då en 3 x 3 matris som har en komplex parameter η: där Vus sinθc λ. Första tecknet på en 3. generation kom i form av τ - leptonen (Perl, ). Lederman hittade b-kvarken t-kvarken uppmättes på Fermilab år Det fanns nu starka indicier på att CKM-matrisen kunde förorsaka CP-brott. Men var den hela sanningen? Enligt KM borde vertex-parametrarna Vij bilda en unitär matris.

14 Unitaritetsvillkoren, såsom 14 kan visualiseras som villkoret att summan av produkterna Vij V*ik utgör sidorna av en triangel i det komplexa planet:

15 För att uppmäta matriselementen krävdes mätning av CP-brott vid sönderfall av B-partiklar (som innehåller en b-kvark). 15 Två s.k. B-fabriker konstruerades, med detektorerna: Belle (KEK, Japan)

16 BaBar (SLAC, USA) 16

17 Mätningarna resulterade i full överensstämmelse med CKMmatrisen! 17

18 18 Nobelpris till Makoto Kobayashi och Toshihide Maskawa

19 19 "for the discovery of the mechanism of spontaneous broken symmetry in subatomic physics" Vägen dit stakade Yoichiro Nambu ut, som 1960 var först med att föra in spontana symmetribrott i elementarpartikelfysiken vilket han nu får Nobelpriset för. Till att börja med jobbade Nambu med teoretiska beräkningar av ett annat märkligt fenomen inom fysiken supraledning, då elektrisk ström plötsligt förmår fl yta helt utan motstånd. Spontant symmetribrott som förklarade supraledningen översatte Nambu sedan till elementarpartiklarnas värld, och hans matematiska verktyg genomsyrar numera all teori kring standardmodellen. Yoichiro Nambu

20 Spontant symmetribrott (I) 20 I partikelfysikens standardmodell förklaras de stora W- och Z-massorna genom att postulera ett Higgs-fält φ med en potential V(φ) med minimum för φ 0 Då den lokala gaugesymmetrin bryts leder det till en Higgs-partikel med massa 0. V(φ) En av LHC:s främsta uppgifter att söka Higgsbosonen och sålunda testa standardmodellen. φ I den starka växelverkans teori QCD sker ett spontant symmetribrott av den globala (tid- och plats-oberoende) kiralsymmetrin: De fysikaliska tillstånden (hadronerna) uppvisar inte symmetrin, trots att växelverkan är symmetrisk. Kiralsymmetrin förenar högerhänta masslösa kvarkar (vars spinriktning S är parallell med impulsen p) med vänsterhänta dito.

21 Spontant symmetribrott (II) 21 Hadroner som består av de (nästan) masslösa u- och d-kvarkarna har (nästan) samma massor: Isospin-symmetri är manifest _ π + (ud) n(udd) Jämförelse av massor: = 1.03 π 0 (uu+dd) p(uud) = Kiralsymmetrin ger alla u-, d-hadroner en partner med motsatt paritet: Men det finns ingen skalär meson med π-mesonens massa, ej heller någon proton eller neutron med negativ paritet. Trots att QCD:s lagrange-funktion är kiralsymmetrisk, uppvisar de fysikaliska tillståndet inte symmetrin: Molekyler har kirala kopior. Kiralsymmetrin är spontant (dynamiskt) bruten (utan antagande om nya fält, à la Higgs)

22 Spontant symmetribrott (III) 22 Nambu visade, att spontant brott av kiralsymmetri kräver förekomsten av en masslös pseudoskalär partikel: Nambu-Goldstone bosonen Inom QCD är π-mesonerna Nambu-Goldstone bosoner m 2 (π) m 2 (ρ) = 0.03 m(π) 0 förklaras av att m(u,d) 5 MeV 0 Nambu-Goldstone-bosoner har speciella egenskaper, som lett till en framgångsrik fenomenologi med π-mesoner vid låga energier. Det är ännu oklart hur/varför kiralsymmetribrottet sker i QCD, och varför π-mesonernas andra egenskaper (såsom radien) liknar övriga hadroners.

23 Spontant symmetribrott anses idag vara av central betydelse för hadroners struktur, och Nambu premieras efter välförrättat värv. 23