Нобелевская премия по физике — 2008

Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2008 год: Йоитиро Намбу, Макото Кобаяши и Тосихидэ Маскава (изображение с сайта nobelprize.org)

Нобелевскую премию по физике за 2008 год получат два японца — Макото Кобаяши и Тосихидэ Маскава, а также американец японского происхождения Йоитиро Намбу. Всем троим премия присуждена за работы по нарушению симметрий в мире элементарных частиц, хотя эти работы относятся к разным эпохам, а сами симметрии — к разным взаимодействиям.

Новый взгляд на динамику адронов

В далеком 1960 году никакой Стандартной модели физики элементарных частиц не было и в помине. Адронная физика представляла из себя настоящую мешанину. К тому времени в экспериментах на протонных синхротронах уже было открыто несколько десятков разнообразных сильно взаимодействующих друг с другом частиц — адронов — с самыми разнообразными массами, зарядами, временами жизни и каналами распада. Физикам не были понятны ни «предназначение» этих частиц, ни их взаимосвязь друг с другом, на тот момент не было даже разумной схемы классификации этих адронов.

Пока многие физики бились над поиском осмысленной систематики адронов (что спустя несколько лет привело к идее кварков), Йоитиро Намбу (Yoichiro Nambu) вместе с итальянским физиком Йона-Лазиньо опубликовали две статьи, в которых предложили совершенно новый взгляд на суть некоторых адронов. Опираясь на более ранние работы Намбу по сверхпроводимости, они продемонстрировали глубокую аналогию между сверхпроводимостью и адронной физикой и на основании нее построили необычную модель взаимодействия элементарных частиц.

Эта модель изначально выглядела совсем непохожей на реальный мир адронов. Она строилась на основе аналогов протонов и нейтронов, но только очень легких, в ней не было мезонов, зато присутствовала некая новая симметрия (киральная симметрия). Однако, проанализировав последствия этой модели, авторы увидели, что в ней происходит примечательное явление — спонтанное нарушение киральной симметрии. Благодаря нему с частицами в этой модели происходили метаморфозы: появились мезоны (как связанные состояния фермионов, аналог куперовских пар в сверхпроводнике), а сами фермионы становились гораздо тяжелее, и их уже можно было отождествлять с протонами и нейтронами.

Это ни много, ни мало привело к переосмыслению физической сути адронов. Раньше они выглядели кусочками «незыблемой материальной сущности», свободно летящими сквозь вакуум, который на них никак не влиял. Теперь же из-за «игры силовых полей» адроны стали квазичастицами, объектами, обретающими свою материальную сущность благодаря необычным свойствам вакуума.

Очень показательна такая цитата из пионерской статьи Намбу и Йона-Лазиньо:

«Хотя наш модельный гамильтониан очень простой, он приводит к результатам, которые сильно напоминают характеристики реальных нуклонов и мезонов. Очень привлекательным является то, что как масса нуклона, так и сам псевдоскалярный «пи-мезон» имеют одно и то же динамическое происхождение... В соответствии с нашей моделью, пи-мезон является не первичным источником сильного взаимодействия, а лишь побочным эффектом. Первичное взаимодействие пока не известно».

Будет, наверное, справедливо сказать, что именно после этих работ физики почувствовали, что за мешаниной адронов кроется некий новый пласт устройства нашего мира, в котором динамические явления не просто влияют на поведение частиц, но меняют саму их материальную сущность. Дальнейшие успехи теории сильных взаимодействий (кварки, глюоны, конфайнмент и квантовая хромодинамика) только подтвердили правильность этого взгляда на вещи. Но что поразительно — несмотря на все современные достижения, модель Намбу—Йона-Лазиньо (сокращенно, модель NJL) в слегка модифицированном виде до сих пор, спустя полвека после ее создания, активно используется в некоторых расчетах — настолько точно в ней была уловлена суть адронной физики.

А сама идея спонтанного нарушения симметрий в мире элементарных частиц стала активно разрабатываться теоретиками, и впоследствии из нее вырос и хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии, и другие типы нарушенных симметрий.

Вклад Намбу в развитие физики элементарных частиц вовсе не ограничивается этой моделью. Намбу был среди тех, кто додумался до идеи «цвета» кварков, он построил одну из первых кварковых моделей (которая, впрочем, потом экспериментально не подтвердилась), он осознал, что при удалении кварков друг от друга силовые линии между ними натягиваются в виде струны. Это, кстати, стало первым шагом на пути к теории струн, и сейчас все учебники по теории струн начинаются с изучения струн Намбу—Гото.

Двойная жизнь кварков

Достижение Кобаяши и Маскавы относится к другой эпохе и к другой симметрии. Всё началось с того, что слабое взаимодействие адронов оказалось устроено гораздо более хитро, чем сильное. В 1964 году было открыто, что в распадах К-мезонов нарушается так называемая CP-симметрия. CP-симметрия означает, что все свойства античастиц совпадают со свойствами обычных частиц в зеркально-отраженном пространстве. Физикам это равноправие между частицами и античастицами казалось очень естественным, и потому открытие его нарушения в слабых взаимодействиях стало большой неожиданностью.

Когда наступила эра кварковой модели, стало ясно, что CP-нарушение должно возникать из-за слабых взаимодействий кварков. Но как описать это нарушение, было непонятно.

Кварки d и s как вектора в абстрактном пространстве. Кварковый набор с определенными массами (d,s) вовсе не совпадает с набором кварков с определенными характеристиками относительно слабого взаимодействия (d',s'), а повернут относительно него (изображение с сайта nuclphys.sinp.msu.ru)

Затем последовала глубокая догадка еще одного итальянского физика, Николы Кабиббо. Он понял, что при слабом взаимодействии рождаются кварки без какой-либо массы. Внимание! — это не значит, что рождаются кварки с нулевой массой. Нет, кварки рождаются в некотором смешанном состоянии, которому вообще невозможно приписать никакое значение массы.

Это может показаться странным с житейской точки зрения, но для квантовых частиц это вполне нормально. Просто кварковые состояния с определенным типом взаимодействия и кварковые состояния с определенной массой — это не идентичный набор, и не совершенно разный набор, а как бы разный взгляд на одни и те же кварки. Кварк, родившийся в слабых взаимодействиях, — это смесь кварков с определенными массами, а кварк с определенной массой — это смесь кварков с разным типом взаимодействия.

Кобаяши и Маскава сделали следующий шаг в этом направлении. Технически этот шаг был, может быть, и небольшим, но он привел к кардинальному скачку в понимании явления. Они доказали, что CP-нарушение может «вторгнуться» в мир адронов именно через это смешивание. Правда, для того чтобы это осуществить, открытых на тот момент кварков не хватало, и тогда японцы постулировали существование еще одного кваркового поколения. Это предсказание было впоследствии с блеском подтверждено экспериментально: b-кварк был открыт четыре года спустя, а тяжеленный t-кварк — в 1995 году. Сейчас статья Кобаяши и Маскавы — вторая по количеству цитирований за всю историю физики элементарных частиц.

Итак, получается, что CP-нарушение в распадах адронов возникает из-за какого-то особого, «кособокого» взгляда на кварки, которое «вырабатывается» у частиц-переносчиков слабого взаимодействия. Почему так получается — неизвестно до сих пор. Непонятно даже, что именно в этом виновато — кварки или слабое взаимодействие. Физики подозревают, что искать ответ надо в устройстве хиггсовского механизма, и надеются, что эксперименты на Большом адронном коллайдере очень им в этом помогут.

На работах Кабиббо, Кобаяши и Маскавы базируется современная теория CP-нарушения и вообще слабых взаимодействий между кварками. Математически она описывается с помощью матрицы, носящей их имена (сокращенно, CKM-матрица). Числа, стоящие в этой матрице, характеризуют смешивание кварков и силу CP-нарушения. Эти числа были неплохо определены в последние годы благодаря всестороннему изучению распадов B-мезонов в экспериментах BaBar и Belle. На Большом адронном коллайдере, прежде всего в эксперименте LHCb, предполагается изучить эти параметры еще лучше и, возможно, узнать их происхождение.

В заключение

Читатель, возможно, обратил внимание, что в обеих историях фигурировали итальянские физики: Йона-Лазиньо и Кабиббо. Ни один из них Нобелевскую премию не получил, хотя их вклад, по мнению многих специалистов, был сопоставим со вкладом лауреатов. Решение Нобелевского комитета уже вызвало множество удивленных и разочарованных комментариев, прежде всего от итальянских физиков. Увы, одно из условий награждения Нобелевской премией — не более трех лауреатов. Поэтому такие ситуации, по-видимому, неизбежны, а пересуды о том, кто достоин больше, а кто — меньше, будут повторяться из года в год.

Оригинальные статьи лауреатов:

• Y. Nambu, G. Jona-Lasinio. Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity. I // Physical Review 122, 345–358 (1961). Статья в открытом доступе.
• Y. Nambu, G. Jona-Lasinio. Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity. II // Physical Review 124, 246–254 (1961). Статья в открытом доступе.
• M. Cobayashi, T. Maskawa. CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction // Progress of Theoretical Physics (1973).V. 49. No. 2. P. 652–657. Статья в открытом доступе.

Дополнительные ссылки:

• Пресс-релиз Нобелевского комитета о присуждении Нобелевской премии по физике — 2008.
• Broken Symmetry (PDF, 260 Кб) — текст Нобелевского комитета про историю и научную ценность работ Намбу и Кобаяши—Маскавы.
• М. К. Волков, А. Е. Раджабов. Модель Намбу—Иона-Лазинио и ее развитие // УФН, 176, 569 (2006).
• Nobel Prize in Physics to particle theorists! — сообщение в блоге Tommaso Dorigo, вызвавшее живое и интересное обсуждение.

Игорь Иванов