Premiul Nobel fizicaPremiul Nobel pentru fizică în anul 2008 a fost obţinut pentru progrese în domeniul asimetriei în fizica particulelor. Trei fizicieni au obţinut acest premiu în anul 2008, Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi şi Toshihide Maskawa. Pentru detalii privind descoperirile acestora, citiţi acest articol.

 

 

 

Trei fizicieni au fost laureaţi ai premiului Nobel pentru fizică în anul 2008. Premiul a fost dat pentru progresele datorate celor trei fizicieni în domeniul asimetriei în fizica particulelor. Lui Yoichiro Nambu i-a fost acordat premiul Nobel pentru descoperirea mecanismului asimetriei spontane în fizica subatomică. Makoto Kobayashi şi Toshihide Maskawa au fost recompensaţi pentru descoperirea originii asimetriei care prezice existenţa a trei familii de quarcuri.

 

Yoichiro-Nambu

Yoichiro Nambu

 

În 1960 Yoichiro Nambu, care efectua cercetări asupra asimetriilor aferente superconductivităţii, a fost primul care a creat un model ce descria modul în care asimetria putea surveni la nivel subatomic. Modelul său matematic a ajutat la cristalizarea modelului standard al particulelor, teoria care explică cel mai bine deocamdată modul în care interacţionează particulele elementare şi forţele fundamentale ce le guvernează.

 

Makoto-Kobayashi Toshihide-Maskawa

Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa

 

În 1970 Kobayashi şi Maskawa au formulat un model ce explica anumite violări ale simetriei şi care sugera existenţa unor particule încă nedescoperite, o a treia familie de quarcuri. Existenţa tuturor celor trei familii de quarcuri a fost observată la mijlocul anilor '90.

 

Importanţa asimetriei

Universul nu este simetric din toate punctele de vedere; cel puţin nu la nivel subatomic. Dacă ar fi fost, în momentul Big Bang-ului materia ar fi fost în aceeaşi proporţie cu antimateria şi, prin urmare, ar fi fost anihilată de antimaterie, iar lumea aşa cum este astăzi nu ar mai fi luat naştere. O doză infimă de asimetrie iniţială în favoarea materiei a permis crearea planetelor, stelelor, galaxiilor etc. Ce a provocat această asimetrie originară este încă un mister.

 

Din ce este constituită materia?

După câte ştim astăzi, cele mai mici părţi constitutive ale materiei sunt electronii şi quarcurile. Quarcurile reprezintă o apariţie relativ recentă, fiind nevoie de zeci de ani de cercetări pentru a fi dovedită existenţa tuturor celor trei familii de quarcuri.

 

Quarcuri

 

Imagine preluată de pe nobelprize.org

 

Modelul Standard

Modelul Standard este teoria ce explică trei din cele patru forţe fundamentale (forţa electromagnetică, forţa tare, forţa slabă şi forţa electromagnetică) şi modul în care interacţionează particulele fundamentale. Nu are răspuns încă pentru gravitaţie.

 

Modelul standard

Modelul Standard

 

 

 

Cât de simetrică este lumea?

Fizicienii s-au concentrat întotdeauna pe găsirea legilor care guvernează lucrurile. Aceste legi ar trebui să fie simetrice şi absolute. Această regulă a simetriei se aplică în cele mai multe situaţii, dar nu întotdeauna. Şi pentru că simetria nu este o regulă absolută, asimetria a devenit subiect de cercetare pentru oamenii de ştiinţă.

 

Cele trei simetrii

Teoria fundamentală a particulelor elementare descrie trei tipuri de simetrii: simetria în oglindă, simetria de sarcină şi simetria de timp. Simetria în oglindă spune toate evenimentele vor părea la fel fie că sunt privite direct, fie că sunt văzute într-o oglindă. Nimeni nu ar trebui să-şi dea seama dacă evenimentul este în oglindă ori nu. Simetria de sarcină afirmă că particulele ar trebuie să se comporte exact ca antiparticulele acestora, având exact aceleaşi proprietăţi, dar sarcini diferite. Simetria de timp indică faptul că evenimentele fizice la nivel micro ar trebui să fie independente de faptul că ele evoluează către înainte ori înapoi în timp.

 

Simetria în oglindă. Prima surpriză

În 1956 Tsung Dao Lee şi Chen Ning Yang au sugerat că simetria în oglindă este încălcată pentru forţa slabă, cea care este responsabilă de descompunerea radioactivă. Presupunerea lor a fost confirmată curând atunci când s-a observat că elementul cobalt 60 nu respectă principiul simetriei în oglindă. Simetria a fost încălcată atunci când electronii ce părăseau atomul de cobalt preferau o direcţie de deplasare.

 

Simetria în oglindă şi simetria de sarcină. A doua surpriză

O nouă violare a legilor simetriei a apărut la studierea descompunerii radioactive a kaonului, atunci când s-a constatat că o mică parte din kaoni (kaonul este un mezon instabil care poate să prezinte sarcină electrică sau să fie neutru şi este de aproximativ 970 de ori mai greu decât un electron) nu respectau nici simetria în oglindă, nici simetria de sarcină.

 

Reţeta pentru a avea o lume

Primul fizician care şi-a dat seama de importanţa asimetriei a fost rusul Andrei Sakharow care în 1967 a stabilit trei condiţii pentru crearea unei lumi ca a noastră: ca legile fizicii să distingă între materie şi antimaterie, fapt constatat odată cu observarea lipsei simetriei descompunerii kaonului, ca Universul să îşi aibă originea în căldura Big Bangului şi, a treia condiţie, ca protonii din nucleul atomic să se dezintegreze. Experimentele efectuate au arătat că protonii rămân stabili pentru 1033 ani, iar acum vârsta acestora este de 1010 ani.

 

Misterul asimetriei rezolvat. Makoto Kobayashi şi Toshihide Maskawa

Misterul privind ruperea simetriei a fost rezolvat în 1972, atunci când Makoto Kobayashi şi Toshihide Maskawa, cunoscători ai matematicii specifice mecanicii cuantice, au găsit soluţia.

Fiecare kaon constă dintr-o combinaţie de quarcuri şi antiquarcuri. Forţa slabă îi face pe aceştia să-şi interschimbe identităţile, quarcul devenind antiquarc şi viceversa; astfel, kaonul se transformă în antikaon , apoi iarăşi în kaon ş.a.m.d. Kobayashi şi Maskawa au descris cum transformarea are loc. Mai mult, aceştia au tras concluzia că este necesară o a treia familie de quarcuri, ceea ce a reprezentat o adevărată provocare pentru fizicienii timpului. Aceştia au fost descoperiţi până la urmă în perioada 1974-1994, ultimul fiind quarcul top.

 

kaon

 

Transformările kaonului (imagine preluată de pe nobelprize.org)

 

 

Asimetria spontană. Yoichiro Nambu

După cum am arătat mai sus, Modelul Standard se referă la forţele fundamentale şi la modul în care particulele elementare interacţionează. Dar de ce sunt forţele atât de diferite? De ce au particulele mase diferite? Quarcul top este de 3000 de ori mai greu decât electronul. Pe de altă parte, de ce au particulele masă, la urma urmelor? Răspunsul la aceste întrebări ar putea fi următorul: o asimetrie spontană, numită şi mecanismul Higgs, a distrus simetria originală dintre forţe şi a furnizat masa particulelor. Cel care a avansat primul ideea asimetriei spontane este chiar Yoichiro Nambu, laureatul premiului Nobel pentru fizică în anul 2008. Acesta a efectuat cercetări în domeniul superconductivităţii (curentul electric curge fără nici o rezistenţă). Asimetria spontană ce descrie superconductivitatea a fost translatată de Nambu în lumea particulelor elementare.

 

Vidul nu este spaţiu gol

Vidul este definit ca spaţiul cu cel mai mic nivel de energie. Dar vidul nu este spaţiu gol, nu este fără energie. Odată cu dezvoltarea mecanicii cuantice, vidul este înţeles ca un spaţiu agitat al particulelor care apar şi dispar fără încetare în invizibilele câmpuri cuantice. Nambu a considerat că proprietăţile vidului sunt de interes din perspectiva înţelegerii asimetriei spontane. Vidul nu respectă legile simetriei. Metodele dezvoltate de Nambu în analiza asimetriei spontane din domeniul Modelului Standard sunt astăzi folosite în calcularea efectelor forţei tari.

 

Informaţiile din articol sunt preluate de pe siteul nobelprize.org

Dacă găsiţi scientia.ro util, sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()
CoinGate Payment ButtonCriptomonedă
Susţine-ne pe Patreon!