08 oktober, 2008

Brutna symmetrier - årets Nobelpris i fysik

Som de flesta säkert läst vid det här laget fick två japaner och en amerikan (med japansk härkomst) årets fysikpris. Att det handlar om brutna symmetrier ser man i rubrikerna, men vad innebär det?

Priset är för teorier inom partikelfysiken och är i sina detaljer mycket svår att förklara. Teorier är nämligen skrivna med ett matematiskt språk, och översättning till svenska eller andra talade språk låter sig bara göras med mer eller mindre korrekta liknelser.

För att börja skrapa på ytan bör man först titta på symmetrier. Inom fysiken, liksom inom konsten, är symmetri en eftersökt egenskap. Symmetrier både förenklar beräkningar och visar vägen mot nya lagar. T.ex. är lagen om rörelsemängdens bevarande en direkt följd av att fysiken är symmetrisk under förflyttning. D.v.s. det spelar ingen roll om man mäter något här ... eller här. Vad Nambu visade på 60-talet var symmetrier ibland kan gömma sig. Trots att all växelverkan, alla krafter, följer en viss symmetri, kan det visa sig att det lägsta energitillståndet (även kallat vacuum- eller grundtillståndet) är asymmetriskt. En magnet har t.ex. en tydlig asymmetri, en nord+ och en sydsida. Men om man hettar upp en magnet, d.v.s. lyfter den från grundtillståndet, till över en kritisk temperatur (Curietemperaturen) så förloras magnetismen och symmetrin är återställd. När magneten åter kyls till under Curietemperaturen så kommer magnetismen och assymetrin tillbaka, symmetrin bryts alltså spontant. Eftersom grundtillståndet är det vi oftast ser, kan vi på så sätt missa viktiga symmetrier. Nambu visade hur det här går till inom de fältteorier som beskriver partiklarnas lagar och att lagarnas symmetrier fortfarande är giltiga, även om grundtillståndet inte är symmetriskt. Ett viktigt, och aktuellt, exempel på ett spontant symmetribrott är att alla partiklar skulle vara masslösa om det inte vore för ett symmetribrott i form av Higgsmekanismen.

Den andra delen av priset går till studierna av ett speciellt symmetribrott som kallas CP-brott. Fysiker brukar identifiera tre grundläggande symmetrier:

  • Spegelsymmetri (P för paritet) som innebär att alla lagar fungerar på samma sätt om man byter håll på alla riktningar, höger till vänster, upp till ner o.s.v.
  • Laddningssymmetri (C för charge) som innebär att man byter tecken på alla laddningar, dvs byter partiklar mot dess antipartiklar.
  • Tidssymmetri (T) som säger att fysikens lagar gäller likadant om tiden går baklänges.
Man kan visa att om man tar de grundläggande ekvationerna inom partikelfysiken och byter tecken (+ till -, - till +) på alla riktningar och laddningar och låter tiden gå baklänges, man utför en CPT-operation, så förblir allt oförändrat. Om vi var gjorda av antimateria och levde i en spegelvärld där tiden gick baklänges så skulle vi inte märka någon som helst skillnad. Fram till 1950-talet trodde man dock att allt dessa gällde var för sig. Det visade sig när man studerade radioaktiva sönderfall att man i vissa fall såg en höger-vänster-asymmetri. Saker såg inte likadant ut i en spegel. Man lyckades se att denna P-asymmetri balanserades av en motsvarande C-asymmetri, men att kombinationen CP fortfarande var giltig - en antipartikel i en spegelvärld uppför sig som en partikel.

Men 1964 gjorde James Cronin och Val Fitch mätningar på sönderfallet hos en grupp partiklar som kallas kaoner och upptäckte att även kombination av C och P symmetri var bruten. Detta var helt oväntat och ställde till en del bekymmer för teoretikerna och gav Cronin och Fitch Nobelpriset 1980. Det var Kobayashi och Maskawa som lade fram en teori som förklarade CP-brottet. Deras teori krävde att det skulle finnas tre familjer av de nyligen upptäckta kvarkarna. Tre familjer innebar sex kvarkar, men 1974, när teorin lades fram, hade man bara hittat tre. Maskawa-Kobayashi-teorin fick inte mycket uppmärksamhet. Men allteftersom kvarkarna ramlade in och slutligen när experiment, vid SLAC i Stanford och KEK i Japan, med sönderfall av B-mesoner visade sig ske exakt (inom en felmarginal på några procent) enligt teorin så har Maskawa-Kobayashi-teorin inlämmats i Standardmodellen för partikelfysiken.

CP-symmetrin är intimt förknippad med förhållandet mellan partiklar och antipartiklar, och ett av de stora mysterierna inom kosmologin är just varför det i universum finns mer partiklar än antipartiklar, när de i Big Bang borde skapats i samma omfattning. Man antar att detta beror på ett spontant symmetribrott av CP-typ som ledde till en liten övervikt av partiklar. Vilket gjorde att jag kan skriva det här idag. Problemet är att man idag vet att den nuvarande teorin inom Standardmodellen inte innehåller tillräckligt med CP-brott för att förklara skillnaden. Många hade därför hoppats på att SLAC- och KEK-experimenten skulle motbevisa Maskawa-Kobayashi-teorin och ge ledtrådar om vägen framåt. Så blev det inte, och Maskawa, Kobayashi och Nambu är väl värda sina pris.

För vidare läsning, se t.ex. Nobelkomitténs vetenskapliga bakgrund, Wikipedia (här, här och här), eller för riktig hard core, Maskawas och Kobayashis originalpapper. Nambus originalpublikation i PRL valdes ironiskt nog inte ut som ett "Milestone paper" av tidskriften. För övrigt skrev man om gömda symmetrier redan 2005 på Cosmic Variance.

Intressant?

2 kommentarer:

Dr M sa...

Det gick ju bra det där. ;-)

Jag tycker att du fått ihop en mycket snygg lite förklaring av vad det hela handlar om. Snyggt också att tänka på exemplet med ferromagnetism och Curie-temperaturen för att ge ett konkret exempel på spontant symmetribrott (även om en eller annan partikelfysiker jag kommer att tänka på möjligen skulle hävda att det inte riktigt är samma sak -- något jag i så fall inte riktigt skulle hålla med om).

Jag laddade för övrigt hem Kobayashis och Maskawas originalpublikation. Jag har inte läst den ännu, men jag måste säga att den ser förvånansvärt läsbar ut, även för oss som inte arbetar på exakt det området.

Waldemar sa...

Det är synd att den italienske fysikern Nicola Cabibbo inte får vara med att dela på priset.

CKM- matrisen står ju för Cabibbo, Kobayashi och Masukawa. Visst är det många som deltar i våra dagars forskning, så det kommer förmodligen blir vanligare med att vi anser att priset är för snävt avgränsat.

I fallet Cabibbo känns det dock något mer angeläget att påpeka, då han gjorde det mer grundläggande arbetet än Kobayashi och Masakawa.