Асимметричная физика

Во вторник, седьмого октября, в Стокгольме были объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике. Сумму в 10 миллионов шведских крон между собой разделят японцы: Йоитиру Намбу (Yoichiro Nambu) получил половину, а Макото Кобаяси (Makoto Kobayashi) и Тосихидэ Масакава (Toshihide Maskawa) по четверти. Все трое получат премию за работы по нарушению симметрий электрослабого взаимодействия. В данной заметке автор постарался по возможности просто объяснить суть открытий, совершенных этими замечательными учеными.

Симметрии

Понятие симметрии является одним из основополагающих в естественной науке. Отчасти это связано с тем, что симметричные объекты легче поддаются изучению. Подобные требования накладываются не для красоты – симметрии не только упрощают многие вычисления, но проявляются в виде так называемых "законов сохранения" (conservation laws). Примером подобного закона может служить закон сохранения энергии.

Для формализации этих рассуждений физики используют математическое понятие "группы симметрии". Эта группа состоит из преобразований, которые не меняют объектов и их взаимодействий. Представим себе вырезанный из бумаги квадрат. Положим его на другой лист и обведем по контуру карандашом. Будем поворачивать квадрат вокруг точки пересечения его диагоналей по часовой стрелке. Всего при четырех поворотах (на 0, 90, 180, и 270 градусов) квадрат окажется в нарисованной рамочке. В этом случае говорят, что фигура (в нашем случае квадрат) обладает группой симметрий Z₄. Вся группа задается поворотом на 90 градусов. Действительно, чтобы повернуть на 180 градусов, достаточно два раза подряд повернуть на 90, а чтобы повернуть фигуру на 270, можно повернуть квадрат против часовой стрелки на те же 90 градусов.

Полученную группу можно немного усложнить. Представим, что квадрат сделан из бумаги, у которой одна сторона белая, а другая черная. Тогда к поворотам мы можем добавить еще одно действие, оставляющее квадрат в рамке – переворот, то есть изменение цвета. Это преобразование не сводится к повороту (в математике говорят, что два преобразования независимы). Действительно, как квадрат не крути – на другую сторону он не повернется. Поворот и переворот в этом случае называют генераторами группы.

Похожим образом устроены группы симметрий в различных физических теориях. Отличие заключается в том, что роль квадрата исполняют различные физические процессы и объекты, а роль поворотов и переворотов – преобразования симметрии.

В теории элементарных частиц существует три основных преобразования симметрии. Во-первых, в процессах разрешается одновременно менять знак заряда всех частиц на противоположный. Такое преобразование называется С-симметрией. При этом частицы превращаются в античастицы – объекты с той же массой и противоположным электрическим зарядом. Например, антиэлектроном является позитрон, заряд которого положителен и в сумме с зарядом электрона дает ноль. Другим преобразованием, которое допускает теория элементарных частиц, является так называемая P-симметрия. Разрешается вместо системы брать ее зеркальный аналог, то есть менять все "право" на "лево". Третье преобразование – разрешается менять направление тока времени на противоположное. Оно обозначается латинской буквой T, и нам, в дальнейшем, не понадобится.

Силы, каоны и кварки

К середине прошлого века ученые установили, что все силы в природе порождаются четырьмя основными взаимодействиями: слабым, сильным, электромагнитным и гравитационным. Слабое взаимодействие ответственно за распад радиоактивных элементов. Его переносчиком (в квантовой физике у каждого взаимодействия есть переносчик) являются так называемые Z и W бозоны. Сильное взаимодействие удерживает нейтроны и протоны в ядре вместе, не давая им разлететься. Это взаимодействие переносится глюонами. Электромагнитное взаимодействие является одним из двух, которые мы можем наблюдать в макромире, и его переносчиком является фотон. Квантовой теории гравитационного взаимодействия в настоящее время не существует, поэтому рассуждать о его переносчиках бессмысленно.

Так называемая Стандартная модель описывает все четыре фундаментальных взаимодействия элементарных частиц. До середины прошлого века одним из основных постулатов этой теории была CP-симметрия, то есть "неизменность" системы относительно одновременного воздействия C и P преобразования.

В 1956 году двое американцев китайского происхождения Цунг Даоли (Tsung Dao Lee) и Чэнь Нинъян (Chen Ning Yang) установили, что при так называемом бета-распаде изотопа кобальта ⁶⁰Co нарушается P-симметрии. В 1964 году будущие лауреаты Нобелевской премии 1980 года Джеймс Кронин (James Cronin) и Вал Фитч (Val Fitch) установили, что при некоторых условиях элементарные частицы, называемые каонами (K-мезонами), не обладают CP-симметрией, то есть физическая суть процесса меняется, если одновременно выполнить C и P преобразование.

Для того, чтобы сохранить Стандартную модель, физикам потребовалось объяснить нарушение симметрии. Именно с этой задачей справились японские физики Макото Кобаяси и Тосихидэ Масакава в 1972 году. В ней ученые предложили удобное описание нарушения симметрии: во всем оказались виноваты кварки. Кварками ученые называют составляющие таких элементарных частиц, как протоны и нейтроны. Их отличительной особенностью является то, что отдельно в природе они не встречаются – только в составе частиц.

В своей работе Кобаяси и Масакава утверждали, что каоны состоят из кварков и антикварков, которые из-за слабого взаимодействия постоянно меняются местами. Когда выполнены некоторые специальные условия один из видов кварков может "победить", нарушая симметрию. В этой же работе ученые высказывали предположение о том, что в теорию необходимо добавить еще одно семейство кварков (состоящее из двух членов), доведя общее количество этих частиц до шести. Два предсказанных кварка были открыты в 1974 и в 1994 году соответственно. Более того, в этой же работе ученые предсказали нарушение симметрии в частицах, называемых B-мезонами. У физиков ушло почти 30 лет на то, чтобы создать технологию для проверки этого предсказания. В 2001 году независимые исследователи обнаружили хорошее согласование между предсказанными теоретически значениями и практическими результатами.

До работ Кобаяси и Масакавы вопросом нарушения симметрии занимался Йоитиру Намбу. Для этого в 1960 он использовал подход, развитый до этого в другой области физики – теории сверхпроводимости. Ему удалось описать явления спонтанного (случайного) нарушения симметрии, создав удобный математический аппарат для работы с этим явлением. В своих работах Намбу пришел к выводу, что вакуум не обязан быть наиболее симметричным состоянием. Эти идеи позже привели к возникновению понятия поля Хиггса и бозона Хиггса – объектов, которые ответственны за массу элементарных частиц.

Работы, за которые японцы получили премии, работают на благо Стандартной модели. Вот уже тридцать лет эта теория исправно служит физике. В настоящее время эта модель, как считают многие ученые, проходит окончательный практический тест. Обнаружение бозона Хиггса в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере должно окончательно утвердить Стандартную модель (отсутствие этой частицы, однако, поставит модель под сомнение).