Fysiikan Nobel 2008: Uusia tosiasioita aineen perimmäisistä rakenneosasista

Transkriptio

1 Fysiikan Nobel 2008: Uusia tosiasioita aineen perimmäisistä rakenneosasista K. Kajantie Tampere, Fysiikan (teoreettisen) professori, Helsingin yliopisto,

2 Tiivistelmä palkinnon 1. puolikkaasta (Y. Nambu, s. 1921, nyt Chicagossa): 1 Luonnonlaeissa voi olla symmetrioita mutta luonnossa esiintyvissä ratkaisuissa nämä voivat olla rikottuja Esimerkki: Aine voi olla kiertosymmetrinen. Jos se magnetoituu, on kiertosymmetria rikottu! Tärkeät symmetriat voivat siis olla piilossa!

3 Tiivistelmä palkinnon 2. puolikkaasta (M. Kobayashi, s. 1944, Nagoya ja T. Maskawa, s. 1940, Kyoto) 2 Mittauksilla oli vuodesta 1964 tiedossa että luonnossa CP-symmetria (katso ilmiöitä peilistä ja vaihda hiukkaset antihiukkasiksi, mikään ei muutu) oli rikottu (muuttupas sittenkin, hyvin hyvin vähän!). Tunnettiin myös kolme kvarkkia (u,d,s). KM ennustivat teoreettisesti 1972 että tämä on mahdollista vain jos on kolme kvarkkia lisää kolmessa perheessä (u,d) (q 1,s) (q 2, q 3 ). Kohta 1973 löytyikin c-kvarkki, 1977 b-kvarkki ja 1994 t-kvarkki!

4 Taustaa 3 Fysiikka on edennyt kohti pienempiä ja pienempiä etäisyyksiä pois ihmisen arkiympäristöstä klassillinen fysiikka mm = 10 3 m atomifysiikka nanometri = 10 9 m ydinfysiikka femtometri = m hiukkasfysiikka alle attometri = m ei mitattavaa kokoa! ja paradoksaalisesti samalla kohti suurempia etäisyyksiä ydinfysiikka astrofysiikka 10 9 m hiukkasfysiikka kosmologia m

5 Maailmankaikkeus hallitaankin nyt kokonaisuutena: 4 - Kosmologisesti tunnetaan koko, ikä (13.7Ga)), uusin historia (siitä lähtien kun ikä oli 1 s), aine/energia-sisältö (pimeä aine, pimeä energia) - Perushiukkaset ovat kolme leptonia (elektroni, myoni, tau)), kolme neutriinoa, kuusi kvarkkia. Kaikki ovat pistemäisiä, ei kokoa. - Olioiden vuorovaikutukset tunnetaan (sähköheikko, kantaja fotoni, välibosonit, vahva, kantaja gluoni, gravitaatio, kantaja gravitoni) Vuoden 2008 fysiikan Nobelit ovat tämän maailmankuvan osia Kvantitatiivisesti on 37 perusominaisuutta:

6 Vuorovaikutusten voimakkuudet: g heikko, e sahko, g vahva Vuorovaikutuskvanttien massat: m W, m Higgs Nobel 2008 Massa jokaiselle ainekvantille: ν e, ν µ, ν τ, e, µ, τ, u, d, s, c, b, t Top-kvarkin massa kertaa neutriinon massa! Kvarkit voivat muuntua toisikseen: 4 parametria Nobel 2008 Neutriinot voivat muuntua toisikseen: 4 parametria Vahvojen vuorovaikutusten aikainvarianssin CP-invarianssin rikkoparametri 5 Kosmologia: pimeän energian määrä, pimeän aineen määrä, tavallisen aineen määrä, fotonien määrä, neutriinojen määrä, poikkeamat homogeenisuudesta,...: 11 parametria Siniset tunnettuja kun aloitin opinnot 1958: mitätön osa!

7 Ymmärryksen perusideat perustuvat kolmeen perusvakioon: 6 (ihmisläheisissä yksiköissä) Valon nopeus, maailman suurin nopeus, c = m/s suppeampi suhteellisuusteoria Planckin vaikutuskvantti, pienin pyörimismäärä, h kg m 2 /s kvanttimekaniikka Gravitaatiovakio, muodossa pienin etäisyys, hg/c m yleinen suhteellisuusteoria

8 Palkinnon 1. puolikas (Y. Nambu, s. 1921, nyt Chicagossa): 7 Luonnonlaeissa voi olla symmetrioita mutta luonnossa esiintyvissä ratkaisuissa nämä voivat olla rikottuja Nambun tutkima symmetria oli lokaali pyöritysinvarianssi, siis luonnolakien tulee olla invariantteja jos avaruuden jokaisessa pisteessä suoritetaan riippumaton kierto ( mittainvarianssi, local gauge invariance ). Sama symmetrian rikko selitti suprajohtavuuden aineessa (Bardeen, Cooper, Schrieffer, Nobel 1972, työ julkaistiin 1957) Nambun julkaisu 1960 on erityisen vaikeatajuinen (vain 194 viitettä!)

9 Palkinnon 2. puolikas (M. Kobayashi, s. 1944, Nagoya ja T. Maskawa, s. 1940, Kyoto) 8 CP-symmetrian rikko (havaittu 1964, Nobel 1980): esim K π e + ν e nopeampi kuin K π + e ν e Tärkeä aineen (ei antiaineen) olemassaololle maailmankaikkeudessa! KM tutkivat 1972 miten tämä CP-rikko voitaisiin rakentaa sisään 1969 keksittyyn sähköheikkoon teoriaan (Nobel 1979). Mahdollista vain jos silloin tunnetun kolmen kvarkin u,d,s lisäksi on kolme kvarkkia kolmessa perheessä (u,d) (q 1,s) (q 2, q 3 ). Kohta 1973 löytyikin c-kvarkki, 1977 b-kvarkki ja 1994 t-kvarkki! KM:n julkaisu on hiukkasfysiikan 2. eniten siteerattu viitettä Kaikkein helpoiten reprodusoitavissa oleva Nobel unitaarimatriisin parametrisointia!

10 Miksei näitä Nobeleita saatu Suomeen? Vuoden 1965 jälkeiset teoreettisen hitufysiikan Nobelit olisikin helppo saada jälkikäteen: Tomonaga, Schwinger, Feynman: QED 1967 Bethe: Tähtien energiatuotto 1969 Gell-Mann: Hitujen luokittelu, outous 1979 Glashow, Salam, Weinberg: Standardimalli 1982 Wilson: Kriittiset ilmiöt, faasimuutokset 1999 t Hooft, Veltman: Standardimallin laskut 2004 Gross, Politzer, Wilczek: QCD, asymptoottinen vapaus 2008 Nambu, Kobayashi-Maskawa, symmetriarikko Kokeellisia hitunobeleja oli 9 kpl, 20 henkeä Nobelin saamiseksi olisikin saatava ohjausta nobelistilta:

11 ( väitöskirjan ohjaaja) 10 Fermi Chew David Gross Wilzcek, Witten Fermi Treiman Weinberg (Fermillä yhteensä 13 nobelistijälkeläistä 1 ) Born, Wigner Weisskopf Gell-Mann Coleman Politzer Gell-Mann Ken Wilson Peskin Rabi Schwinger Glashow, Glauber, Kohn, Mottelson Van Hove Veltman t Hooft Japanissa myös oma genealogiansa Oppi: kansainvälisyys, verkostoituminen, hyvä tuuri, nerokkuus. Ei tämäkään riitä, tämän vuoden Nobelilla olisi ollut monta ottajaa! 1 Segré, Rainwater, Fitch, Yang, Lee, Gross, Wilczek, Chamberlain, Steinberger, Schwarz, Weinberg, Rubbia, Freedman