Tragom zvezda

Spontano narušavanje simetrije

Nobelova nagrada za fiziku, 2008. godine dodeljena je Joiširo Nambu-u s Čikaškog univerziteta “za otkriće mehanizma spontanog narušavanja simetrije u subatomskoj fizici”, Makoto Kobajašiju iz Centra za visokoenergetska akceleratorska istraživanja (KEK, Tsukuba) i Tošihide Maskavi iz Jukavinog instituta za teorijsku fiziku (Univerzitet u Kjotu) “za otkriće porekla narušene simetrije koja predviđa postojanje bar tri familije kvarkova u prirodi”.

Simetrija lica

Simetrija, kao nešto vezano uz harmoniju i lepotu, utkana je u sve aspekte naše civilizacije. Počevši od simetrije ljudskog tela koja olakšava odevanje (zamislite da to nije tako), preko opažanja simetrija u svetu koji nas okružuje , simetrija je prožela sve ljudske aktivnosti. Na početku lanca tih aktivnosti naići ćemo na umetnost, a na početku matematičko-fizičke stvarnosti na geometriju. Simetrija koju zapažamo kod geometrijskih tela vremenom je uopštena na simetriju fizičkih sistema, a kao naredna apstrakcija uvedeno je uopštenje na simetriju fizičkih zakona koji upravljaju tim sistemima. Dogodilo se, eto i to, da su za rad na simetrijama dodeljene i Nobelova nagrada za fiziku i njen matematički ekvivalent, Abelova nagrada za 2008. godinu. Simetrija fizičkog sistema okarakterisana je neopažanjem promene pri nekom zahvatu na tom sistemu (na primer, ogledalska refleksija ili zaokretanje za neki ugao). Takve zahvate nazivamo simetričnim transformacijama, sa pridruženim “neopservablama”. Isto se odnosi i na simetrije fizičkih zakona. Na primer, uočena je simetrija Njutnovog zakona gravitacije i Maksvelovog elektromagnetizma na promenu predznaka prostornih koordinata kao diskretnu transformaciju prostornog pariteta (P), kao i na vremensku inverziju (T) kod koje se promeni smer strele vremena. Ipak, do punog sagledavanja uloge simetrija doveo je tek Ajnštajnov monumentalni prevrat: umesto pukog uočavanja simetrije nekog fizičkog zakona, on simetriju uzdiže do načela (principa simetrije) pomoću kojeg izvodi zakone prirode! Najbolji primer takvog pristupa simetrijama je Ajnštajnova Specijalna teorija relativiteta koja zahteva da se fizički zakoni ne menjaju pri prelazu iz jednog u drugi inercijalni referentni sistem. Neki ugledni Ajnštajnovi savremenici su zamerali što je Ajnštajn jednostavno postulirao ono što su oni pokušavali da dokažu! Same simetrije Ajnštajn svrstava u “kreativni princip” koji ćemo naći u matematici, kao ono što odražava sposobnost čistog uma da obuhvati realnost. Nedvosmisleno je, primena principa simetrije kod kvantnomehaničkih procesa na subatomskom nivo otvorila je vrata otkrićima novih zakona prirode koja su obeležila dvadeseti vek.

Šematski prikaz narušavanja simetrije

Svojevremeno novootkrivena jaka nuklearna sila se po svojim svojstvima simetrije pridružila već poznatim silama gravitacije i elektromagnetizma: pokazala se simetričnom i na prostorno i na vremensko obrtanje. Stoga je 1957. godine senzacionalno odjeknula vest da simetrija prostornog pariteta ne vredi u β procesima prirodne radioaktivnosti. Time je potvrđeno predviđanje na koje su, za procese sa elementarnim česticama, koji se odvijaju pod uticajem slabe sile, godinu dana ranije ukazali T. D. Li i C. N. Jang (dobitnici Nobelove nagrade za 1957. godinu). Neko se vreme verovalo da bi simetrija pariteta mogla biti spašena ukoliko se istovremeno s prostornom inverzijom desi i konjugacija naboja, (C), zamena čestice antičesticom (elektrona pozitronom, protona antiprotonom, itd… . Ali već 1964. godine su otkriveni procesi s neutralnim K mezonima (kaonima) koji narušavaju i takvu kombinovanu CP simetriju (otkriće nagrađeno Nobelovom nagradom za 1980. god. J. W. Kroninu i V. L. Fiču). Postaivlo se pitanje da li se CP simetrija može spasiti njenim daljim uopštavanjem? Zaista, teorijski je pokazano da diskretne simetrije C i P, nadopunjene vremenskom inverzijom vremena T , rezultiraju takozvanom CPT teoremom: CPT = I . Prema njoj, kompozicija svih triju diskretnih transformacija rezultuje opštom simetrijom fizičkih zakona. Time je iskazana i ekvivalentnost vremenske inverzije T i CP transformacije. Makoto Kobajaši i Tošhihde Maskava su u vreme kad se znalo za samo tri kvarka (u, d i s) predložili njihovo udvostručavanje (dodavanjem c, b i t), kako bi standardni zakoni fizike uključili CP narušavanje. Da bi se proverila njihova predviđanja, izgrađeni su posebni sudarači čestica, “asimetrične B-fabrike” BaBar u Kaliforniji i Bele u Japanu, koji su potvrdili predviđeno CP narušavanje izvan sistema kaona. Otkrićem procesa sa neutralnim kaonima u kojima je narušena CP simetrija, po prvi put smo došli u posed mehanizma kojim možemo nedvosmisleno razlikovati svet materije od sveta antimaterije. U zemaljskim eksperimentima se dugoživeći neutralni kaon (KL) raspada češće na negativni pion, pozitron i neutrino,nego na CP-konjugovano stanje, u kojem se umesto pozitrona emituje elektron. Dovoljno je nekoj vanzemaljskoj civilizaciji poručiti da u svojim laboratorijima proveri da li se njihov učestalije emitovan “elektron” u tom procesu razlikuje od elektrona koji gradi njihove atome. Ako to ne bi bio slučaj, vanzemaljci bi bili građeni od antimaterije i trebalo bi odustati od susreta koji bi rezultirao anihilacijom svetova. Sama pojava CP-narušavanja od početka je misteriozna, bez nekog teorijskog objašnjenja. Ipak, uskoro je prepoznata nužnost narušavanja te vremenske mikroinverzije, kao jednog od preduslova nastanka “barionsko asimetričnog” svemira u kakvom se nalazimo. Kao što je Gamov uočio da rani svemir pruža uslove za nukleosintezu, tako je Saharov 1967. g. istražio uslove pod kojima svemir, koji u Velikom prasku počinje sa jednakom količinom čestica i antičestica, može rezultovati s neizanihiliranim viškom čestica. Pri tome je ustanovio nužnost sprege narušavanja vremenske mikroinverzije (CP) sa ireverzibilnošću kakvu pruža sama ekspanzija svemira i neočuvanjem barionskog broja (zakoni prirode moraju dopustiti raspad protona). Poruka Saharovljevih uslova je da su za pojavnost našeg sveta, od navedenih simetrija još važnija njihova narušavanja. Na koji način zakoni prirode uključuju CP-narušavanje? Pokazalo se da je za to potrebna kompleksnost koja se mora razlikovati od one inherentne kvantnomehaničkom opisu datog sistema pomoću kompleksne talasne funkcije. Svetlo u dugogodišnju misteriju CP narušavanja unela su dvojica laureata, Makoto Kobajaši i Tošhihide Maskava, koji su pronašli način da već poznati zakoni fizike uključe i mehanizam CP narušavanja. U vreme kad se znalo za samo tri kvarka (u, d i s) oni su uočili da njihovo udvostručavanje , dodavanjem c, b i t, uvodi dodatnu kompleksnu fazu nužnu za narušavanje vremenske mikroinverzije. Svi predloženi kvarkovi su u međuvremenu otkriveni, a novi kvarkovi vode u nove procese s CP narušavanjem izvan kaonskog sistema. Za njihove testove uočena je pogodnost sistema B mezona (građenih od “lepih”, b kvarkova), tako da se u SAD i Japanu pristupilo konstruiranju pogodnih sudarača elementarnih čestica. Time su stvoreni preduslovi da se komunikacija Kobajaši-Maskavinog tipa među kvarkovima i predviđeno CP narušavanje potvrdi u najnovijim akceleratorskim eksperimentima BaBar i Tevatron u Americi te Bele u Japanu. Objasnimo ideju spontanog narušenja simetrije na primeru iz svakodnevnog života. Salate servirane oko okruglog stola predstavljaju simetričnu situaciju u kojoj se svako pita da li mu pripada ona s leve ili desne strane. Kad prvi gost odabere svoju salatu, simetrija je “spontano narušena” – njegov odabir se prenosi i na ostale. Poznati primer spontanog narušavanja simetrije u fizici je spontana magnetizacija feromagnetika. Ona se događa hlađenjem uzorka feromagnetnog materijala ispod određene kritične temperature. Prvobitno neuređeni spinovi u feromagnetiku se tada spontano poređaju u nekom smeru i oforme magnetno polje. Ova situacija je podstakla fizičare da postave pitanje podudaranja simetrije fizičkih sistema sa simetrijama zakona fizike. Izvođenje odgovora na to pitanje oslanja se na zahtevno poznavanje kvantne teorije polja, ali se sami odgovori mogu prikazati kao jednostavna zapažanja.

Fejnmanov dijagram narušavanja simetrije

Prvo važno zapažanje, da fizički sistem (tipa feromagnetika) nema sve simetrije kao zakoni kojima je podređen, je ujedno preciznija definicija spontanog narušavanja simetrije. U navedenom primeru, zakoni koji načelno upravljaju atomima, pa tako i onima u magnetu, simetrični su na grupu trodimenzionalnih rotacija, dok u namagnetisanom materijalu ostaje samo podgrupa dvodimenzionalnih rotacija oko smera magnetizacije. Drugo važno zapažanjeje je da se umesto izgubljene simetrije opaža nešto drugo. U navedenom primeru feromagnetika to je (gotovo) bezmaseno (Nambu-Goldstoneovo) pobuđivanje, tzv. spinski talas čiji se kvanti nazivaju magnonima. Još poučniji primer spontanog narušavanja simetrije koji nas vodi na dodatne spoznaje je pojava superprovodljivosti. Njome je Joičiro Nambu bio impresioniran u toj meri da je verovao da analogna pojava mora postojati u fizici elementarnih čestica. U slučaju superprovodljivosti spontano je narušena simetrija kompleksne kvantnomehaničke talasne funkcije elektrona : od početne simetrije na dvodimenzionalne rotacije preostaje samo simetrija na rotacije za 180 stepeni. Pri tome ugao rotacije narušene grupe simetrije može varirati s položajem u superprovodniku (kažemo da je takav ugao lokalna, “baždarna” veličina, u poređenju s ranije razmatranim globalnim, prostorno nezavisnim rotacijama). Na objašnjavanju superprovodljivosti proslavila se BCS (Barden, Kuper, Šrifer) teorija, čija je polazna tačka bila kondezovati par elektrona (“Kuperovi parovi”). Oni su pak ukazivali da superprovodni medij gubi lokalnu (baždarnu) simetriju. Svet elementarnih čestica početkom 60-tih godina, u koji je Nambu mogao preneti ove koncepte iz fizike kondezovane supstance, bio je sistem nukleona i piona. Nambuova zamisao je bila da se počne od energetskog procepa između teških nukleona i lakih piona. Zajedno s Jona-Lasiniom on postavlja model u kojem je pion vezano stanje nukleona i antinukleona. Uz to, kao Nambu-Goldstoneov bozon, pion bi trebao biti bez mase, a njegova mala opažena masa bila bi dinamičkog porekla. U današnjoj reinterpretaciji preko kvarkova, masa piona i nukleona je generisana hromodinamičkim interakcijama kvarkova i gluona (teoriji jake sile, kvantnoj hromodinamici QCD, dodeljena je Nobelova nagrada za 2004. godine). Pritom se pitanja koja je povukao Nambu odnose na tzv. kiralnu simetriju QCD-a i hromodinamički fazni prelaz (prelaz kvarkova u hadrone). Ali Nambuove analize superprovodljivosti su se pokazale dalekosežnim i za elektroslabi sektor standardnog modela. Njemu je pridružen fazni prelaz kojim u početku bezmaseni prenosnici slabe sile pribavljaju masu. Pojava uočena kod superprovodnika, istiskivanje magnetnog polja (Mejsnerov efekat), dobija objašnjenje koje će biti krucijalno i za kasnije objašnjavanje porekla mase u elektroslabom faznom prelazu. Pojava Majsnerovog efekta je rezultat neočekivanog obrata, da umesto očekivanog bezmasenog pobuđenja, foton (kvant elektromagnetskog polja) u superprovodniku obezbeđuje masu koja odgovara dubini prodiranja magnetskog polja u superprovodnik. Naime, spontano narušena lokalna simetrija čini izuzetak od Goldstonove teoreme. Goldstonova pobuđivanja bivaju apsorbovana u longitudinalne komponente vektorskih polja lokalne simetrije, koja tako postaju masivna. To će omogućiti da se masivnosti prenosnika slabe sile pomire sa spontano narušenom lokalnom baždarnom simetrijom. Salam i Vajnberg su za takvo narušavanje simetrije uveli elementarno skalarno polje (tačnije, dublet kompleksnih skalarnih polja, koji sadrži četiri realna skalarna polja). Ona u vakuumu poprimaju neisčezavajuću vrednost putem potencijala skalarnog polja koji ima čuveni oblik dna vinske flaše. Time se spontano narušava simetrija standardnog modela, pri čemu tri od četiri Nambu-Goldstonovih bozona obezbeđuju masu W+, W− i Z bozonu, a neapsorbovano skalarno polje ostaje kao fizička čestica, Higgsov bozon. Provera postojanja Higsa, tzv. “božje čestice” je urađena poslednjih desetak godina pa je na kraju potvrđeno njeno postojanje za šta je Piter Higs dobio Nobelovu nagradu.

RSS
Follow by Email
Facebook
Twitter