joanna Rose
Tre japanska fysiker delar årets nobelpris för teoretiska utforskningar av symmetribrott inom elementarpartikelfysiken.
Varför finns det någonting i stället för ingenting? Varför finns det så många olika elementarpartiklar? Svaren tycks ligga gömda i naturens symmetrilagar. Eller rättare sagt i de brutna symmetrierna. Det finns brutna symmetrier som har funnits inbyggda i världsalltet sedan begynnelsen, vilket är ämnet för Makoto Kobayashi och Toshihide Maskawa, mottagare av ena halvan av årets nobelpris. Det finns också symmetrier som brutits spontant men som har symmetrierna kvar dolda under ytan, vilket Yoichiro Nambu var först med att beskriva inom elementarpartikelfysiken, och han får den andra halvan av priset.
|
Toshihide Maskawa är professor vid Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University, och vid Kyoto Sangyo University, Japan. Makoto Kobayashi är professor vid High Energy Accelerator Research Organization (KEK), Tsukuba, Japan. |
|
DAVID GUTTENFELDER/AP/SCANPIX |
Symmetri är ett ledmotiv inom fysiken, som beskriver naturlagarna från början som perfekt symmetriska och absoluta. De ska gälla allt och överallt i hela universum. Den uppfattningen har visat sig hålla för det mesta, dock inte alltid. Så symmetribrotten blev i lika hög grad fysikens forskningsobjekt som symmetrierna själva.
Men hur blev världen så ofullkomlig i matematikens ögon? Det ursprungliga symmetribrottet måste ha uppstått strax efter big bang (stora smällen) för nästan 14 miljarder år sedan. Då skapades lika mycket materia som antimateria. Men strax därefter måste materien ha vunnit över antimaterien, annars borde de ha utplånat varandra helt och hållet. För att få världsalltet att överleva tycks det ha räckt med ett minimalt avsteg från symmetrin: en materiepartikel extra på tio miljarder partiklar av antimateria räckte till alla galaxer, stjärnor och planeter, och till slut även oss människor. Vad som ligger bakom naturens sätt att åstadkomma detta symmetribrott i världsalltet är fortfarande ett mysterium.
Det var kring mitten på 1900-talet som en bruten symmetri först uppenbarade sig vid studier av materiens grundvalar. År 1956 ifrågasattes spegelsymmetrin av ett par kinesisk-amerikanska teoretiker, Tsung Dao Lee och Chen Ning Yang (de fick nobelpriset redan året därpå, 1957). Med detta menas symmetrin med avsikt på höger och vänster, som i likhet med andra symmetriprinciper sågs som ett väletablerat faktum inom fysiken. Men bara några månader senare kunde symmetribrottet bekräftas i flera experiment.
Nästa överraskning kom 1964 när ett nytt brott mot symmetrilagarna dök upp i det radioaktiva sönderfallet av en säregen partikel, en s.k. K-meson. Frågan om varför symmetrierna bryts förblev en gåta fram till 1972, då två unga forskare från universitetet i Kyoto, Makoto Kobayashi och Toshihide Maskawa, kom på lösningen i form av en beräkningsmatris med tre rader och tre kolumner. För att kunna förklara K-mesonernas symmetribrott krävdes det att fler elementarpartiklar av en sort som kallas kvarkar skulle finnas utöver de då redan kända kvarkarna. Det var ett djärvt teoretiskt grepp, men de spekulativa nya kvarkarna dök mycket riktigt upp i fysikexperimenten. Den s.k. toppkvarken upptäcktes så sent som 1995.
Kvarkarna ingår i dag i fysikens standardmodell för materiens uppbyggnad. Modellen omfattar alla de kända elementarpartiklarna och tre av fyra kända naturkrafter. Den står fast på den moderna fysikens grundvalar och styrs av kvantfysikens och relativitetsteorins ekvationer. Dessa ekvationer leder fysiken tillbaka till universums allra första ögonblick i big bang, då symmetrin i partikelvärlden ännu var behållen. Men varför är krafterna så olika i dag? Och varför har kvarkarna så olika massor? Den tyngsta, toppkvarken, är över hundra tusen gånger tyngre än den lättaste, uppkvarken. Varför har de någon massa alls?
I dag tror många fysiker att ett spontant symmetribrott raserade den ursprungliga symmetrin och tilldelade partiklarna deras massor i universums allra tidigaste ögonblick. Letandet efter detaljerna i hur detta gick till sker nu vid världens största partikelaccelerator, den nya LHC (Large Hadron Collider) vid CERN i Genève.
Vägen dit stakade Yoichiro Nambu ut redan 1960, då han var först med att föra in spontana symmetribrott i elementarpartikelfysiken. Fysikens vackra symmetrier ligger kvar dolda under de spontana symmetribrotten, och Nambus matematiska verktyg genomsyrar numera all teori kring standardmodellen för materien och dess krafter.
Temaartikel ur Nationalencyklopedins årsbok 2008
Nobelpriset 2008: Fysik
http://www.ne.se/rep/nobelpriset-2008-fysik
Nationalencyklopedin, 2012-05-27
Kopiera källangivelse
