Nobelovka za narušenú symetriu hmoty

Tohtoročnými nositeľmi Nobelovej ceny za fyziku sa stali japonskí vedci Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa a americký vedec Joičiro Nambu za priekopnícku prácu v oblasti kvarkov - základných častíc hmoty.

ŠTOKHOLM. Tohtoročnú Nobelovu cenu za fyziku dostali traja teoretici. Všetko synovia Ríše vychádzajúceho slnka, hoci dnes občania dvoch krajín.

Objavili mechanizmus a pôvod narušení skrytej symetrie v mikrosvete - určili mierne asymetrickú podobu makrosveta, ktorý priamo vnímame. A vďaka ktorej vlastne svet i s nami existuje.

Nobelove ceny - klikni sem

Nobelov výbor akoby sa v roku 2008 sústreďoval na odmenu výsledkov, ktoré strávili na čakačke niekoľko desiatok rokov. Tak ako tie, za ktoré včera udelil cenu za fyziológiu alebo medicínu. Dnešné siahajú ešte o vyše desaťročie hlbšie ako včerajšie. (Časť sa ich však definitívne potvrdila až v roku 2001.)

Joičiro Nambu, občan USA, objavil v roku 1960 mechanizmus tzv. spontánneho narušenia symetrie v subatómovej fyzike. Za to dostane polovicu Nobelovej ceny, ktorej finančnú časť tvorí celkove 10 miliónov švédskych korún (31,27 milióna Sk). Narodil sa v roku 1921 v Tókiu a v roku 1952 získal doktorát na tamojšej univerzite. Dnes pôsobí ako emeritný profesor v Ústave Enrica Fermiho pri Chicagskej univerzite.

Japonci Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa si rozdelia druhú polovicu za objav pôvodu iných narušených symetrií a z neho vyplývajúcu predpoveď, že v prírode musia existovať najmenej tri rodiny kvarkov čiže základných stavebných kameňov hmoty, na čo prišli v roku 1972.

Kobajaši sa narodil v roku 1944 v Nagoji a v roku 1972 získal doktorát na tamojšej univerzite. Pôsobí ako emeritný profesor v KEK (Organizácia pre urýchľovačový výskum vysokých energií) v Cukube.

Maskawa sa narodil v roku 1940 a aj on má od roku 1967 doktorát z Nagojskej univerzity. Pôsobí ako emeritný profesor Yukawovho ústavu pre výskum v teoretickej fyzike pri Kjótskej univerzite.

Symetria vesmíru

Objavy všetkých troch sa týkajú symetrií nášho vesmíru - vlastne narušených symetrií. Jednak narušených od samého začiatku jeho existencie, jednak tých, ktoré sa spontánne narušili až počas jeho vývoja.

Tak či onak, obidva typy narušení stoja pri kolíske nášho bytia. Pretože ak by bol vesmír dokonale symetrický, vyskytovali by sa v ňom aj rovnaké počty častíc hmoty a antihmoty, ktoré by spolu zanihilovali na žiarenie.

Vďaka narušeniam symetrie však bezprostredne po vzniku vesmíru vo veľkom tresku na každých cca 10 miliárd častíc antihmoty pripadalo okolo 10 miliárd plus jedna častica hmoty. To zabezpečilo, že po anihilácii drvivej väčšiny hmoty s antihmotou zvýšila aspoň troška hmoty. Z nej sa napokon vyvinuli galaxie, hviezdy a planéty. A prinajmenšom na jednej planéte život a pozorovatelia ako my.

Pri zrode podoby nášho vesmíru sa prejavila dosiaľ celkom nevysvetlená asymetria. Vo veľkom tresku boli vytvorené rovnaké množstvá hmoty a anithmoty a podľa toho mali spolu úplne zainihilovať, zostalo by len žiarenie. Hmota sa však napokon vďaka nepatrnému prebytku na úrovni jednej desaťmiliardtiny predsa len zachovala a postupne zaplnila vesmír galaxiami, hviezdami, planétami a - podľa všetkého nielen na Zemi - životom.

FOTO - NOBEL PRIZE/NOBEL FOUNDATION

O príčinách tejto asymetrie však stále nevieme dosť. Výskumy, ktoré uskutočnili tohtoroční laureáti Nobelovej ceny za fyziku, však osvetlili dôležité časti tejto záhady. Fyzici najčastejšie narábajú s prírodnými zákonmi tak, ako keby boli dokonale symetrické a platili v celom vesmíre. Pre väčšinu situácií to platí.

Napriek tomu dobre vieme, že v našom bežnom makrosvete je dokonalá symetria skôr vzácna - o to viac sa vedci zaujímali - o prvé prejavy asymetrií v mikrosvete.

Prvé príznaky sa začali vynárať v 50. rokoch a v roku 1956 dvaja teoretici spochybnili zrkadlovú a v roku 1964 iní dvaja ešte aj symetriu elektrického náboja, pričom v obidvoch prípadoch onedlho nasledovalo experimentálne potvrdenie (a Nobelove ceny za fyziku - v prvom prípade hneď v roku 1957, v druhom až v roku 1980).

Ukážka zrkadlovej symetrie - vľavo je narušená, vpravo zachovaná. Zaujímavé ale je, že aj vľavo závisi od písmena („častice"), pri niektorom sa naruší, pri inom nie.

FOTO - NOBEL PRIZE/NOBEL FOUNDATION

Výpočtami k výsledkom

Príčina kombinovanej zrkadlovej a nábojovej asymetrie zostávala záhadou až do roku 1972, keď Kobajaši a Maskawa výpočtami vychádzajúcimi z princípov kvantovej fyziky prenikli k možnému vysvetleniu.

Vnútorné zložky predmetných častíc, tzv. kvarky, normálne oscilujú medzi stavmi kvarku a antikvarku - za istých okolností však môžu zostať v jednom z týchto stavov a symetria sa naruší. Vyplynula z toho potreba zaviesť ešte jednu dvojkvarkovú rodinu k dvom, ktoré tvorili tzv. štandardný model stavby hmoty. Všetky „potrebné" kvarky však potvrdili experimenty - v rokoch 1974, 1977 a v roku 2001.

Z kvarkov prvej rodiny sa skladajú bežné častice, tvoriace náš svet - protóny a neutróny, z kvarkov druhej menej bežné, ale predsa aj dnes stále nie vzácne a z kvarkov tretej exotické častice, známe iba z urýchľovačov.

Spomenutý štandardný model zahŕňa všetky známe častice a tri zo štyroch základných síl, ktoré ich držia pokope resp. pôsobia počas časticových procesov - elektromagnetickú, slabú jadrovú a silnú jadrovú. Bokom zatiaľ zostáva v mierke mikrosveta oveľa slabšia gravitácia.

Prečo však majú častice a sily, ktoré zhŕňa štandardný model, tak výrazne rozdielne hmotnosti (niekoľkostotisícnásobne) a intenzity? A prečo vôbec častice majú nejakú hmotnosť?

To zasa významne osvetlila Nambuova práca. Pôvodne sa zaoberal vysvetlením supravodivosti čiže vedenia elektrického prúdu bez odporu. Zistil, že sa na to hodí spontánne narušenie symetrie, čo preniesol do sveta elementárnych častíc. Využil pojem kvantového vákua ako stavu s najnižšou energiou, ale v skutočnosti sa hmýriaceho časticami, a doložil, že to nie je najsymetrickejší stav.

Spontánne narušenie symetrie. Poznáme ho aj v bežnom živote. Svet ceruzky vľavo je dokonale symetrický, všetky smery sú pre ňu presne rovnocenné, no táto symetria sa stratí, keď ceruzka spadne - teraz ukazuje iba jedným smerom. Predchádzajúca symetria sa skrýva za spadnutou ceruzkou.

Peter Higgs to po Nambuovi rozviedol tak, že s rozpínaním vesmíru sa rozpadalo špecifické (Higgsovo) pole, ktoré strácalo symetriu a častice, ktoré najprv nemali pokojovú hmotnosť, ju zväčša získali, iba niektoré - ako fotón - nie. Hľadanie príslušných dôkazov bude jednou z hlavných úloh nového urýchľovača LHC v CERN pri Ženeve.

Hlavný zdroj: Komuniké The Nobel Prize in Physics 2008/The Royal Swedish Academy of Sciences zo 7. októbra 2008.