Chicagóban 2008. december 10-én a svéd nagykövet adta át Yoichiro Nambunak a University of Chicago 87 éves emeritus professzorának a 2008. évi Nobel-díj felének elnyerését tanúsító diplomát és érmet. Másnap Stockholmban Giovanni Jona-Lasinio római professzor tartotta meg Nambu tudományos előadását. Ez a gesztus reményt sugalló példája a Nobel-díjas eredményen együtt dolgozók közötti jó kapcsolat fennmaradásának, amikor a díjban csak egyikük részesül. Annál is fontosabb lehetett ez a gesztus az olasz tudományos közösségnek, mert ők a díj másik felén osztozó két japán kutató, Makoto Kobayashi és Toshihide Maskawa felfedezésével egyenrangú jelentőséget tulajdonítanak a kiváló olasz részecskefizikus, Nicola Cabibbo munkásságának is.
 

2008 fizikai Nobel-díjasai: Yoichiro Nambu és a  Makoto Kobayashi–Toshihide Maskawa duó

A 2008. évi díjra a Svéd Tudományos Akadémia bizottsága a szubatomi szimmetriákhoz kapcsolódó felfedezések közül választott kettőt. Nem lehetett könnyű dolguk, hiszen a természet elemi szimmetriái hosszú ideje központi témái a fizikának, a részecskefizikai szimmetriák mind mélyebb feltárására irányuló munka pedig ma is a legfontosabb irányzatok egyike.

A szimmetriák szerepét a fizikában Emmy Noether (1882–1935) német matematikus értette meg. A Noether-tétel kimondja, hogy a természet minden megmaradási törvénye (a legismertebbek: az energia, a lendület, a perdület, az elektromos töltés) valamely szimmetria megvalósulásával egyenértékű. Vegyük szemügyre a forgatások példáját. Egy kocka valamelyik éle körül átforgatva újra olyan állapotban lesz, amely az eredetitől megkülönböztethetetlen. Ezek a derékszögű forgatások azonban a lehetséges forgatásoknak csak egy kisebb alcsoportját alkotják. Az egyetlen olyan objektum, amely az összes elképzelhető forgatásra változatlan, a gömb. A hidrogénatom elektronfelhőjétől a vízcseppen át a bolygók alakjáig példák sorával megerősíthető elvnek tűnhet: a legalacsonyabb energiájú állapot egyben a legnagyobb forgásszimmetriájú is (1. ábra).  A szimmetriaelv nagy gyakorlati értékű eszköz a tartósan fennmaradó „egyensúlyi” szerkezetek keresésében. 
 

1. ábra.  A hidrogénatom elektronfelhője (a képen egy modell látható), a levélre hullott esőcsepp és a Föld alakja egyaránt szemléletes példája annak, hogy a természet forgási szimmetriája kitünteti a tetszőleges tengely körüli forgásra változatlan gömbi elrendeződést

Az elemi részek fizikájában sok évtizede követik ezt a „receptet”. Az ismert szimmetriákat kitágító – lehetőség szerint egységbe foglaló – átfogóbb szimmetria feltételezésével és az azt tükröző matematikai tulajdonságú elmélet konstrukciójával indulnak. A feltevéshez tartozó legszimmetrikusabb állapotot azonosítják a legalacsonyabb energiájú állapottal, amelyet szokás alapállapotnak hívni. Az alapállapot gerjesztései az elemi részecskék, amelyek kölcsönhatásait a feltételezett szimmetria igen erősen korlátozza.  A mindenkoron nagyszámú szimmetria-hipotézis közül azt fogadják el, amelynek a részecskék közötti kölcsönhatásokra vonatkozó megszorításait a kísérleti vizsgálatokkal a lehető legszélesebben sikerül ellentmondásmentesen igazolni. A legtisztább vizsgálati lehetőséget az extrém nagy energiák tartománya adja. Ezek a lépések vezettek az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egységének bizonyításához vagy a kvarkok közötti kölcsönhatás természetének tisztázásához, egyszóval a részecskefizika Standard Modelljének megalkotásához [Nobel-díjasok: David J. Gross, H. David Politzer, Frank Wilczek (2004), Gerardus ’t Hooft, Martinus J. G. Veltman  (1999), Jerome I. Friedman, Henry W. Kendall, Richard E. Taylor (1990), Sheldon Glashow, Abdus Salam, Steven Weinberg (1979)]. A jelenleg várt következő lépést, az ún. szuperszimmetrikus elméleti javaslatok ellenőrzését a CERN LHC gyorsítójának kísérleteitől remélik.

A nagyenergiás vizsgálatok azért kapnak kitüntetett figyelmet, mert alacsonyabb energiákon a szimmetria elrejtőzhet. Ugyanis a legérdekesebb esetekben – szemben a fentebb felsorolt példákkal – a legalacsonyabb energiájú állapot nem azonos a legszimmetrikusabbal. Ez a lehetőség jól ismert a mágneses jelenségek körében, hiszen a szobai viszonyok között a mágnesezett rúd a vasatomok sokaságának legstabilabb állapota, annak ellenére, hogy a mágnesezettség kitüntet egy irányt, amely nem forgásszimmetrikus, hanem együtt forog a koordinátatengelyeket kijelölő kis külső mágneses térrel. A 2. ábrán a Föld mágneses észak-déli pólusszerkezete látható, amely a Föld forgásával kombinálva csak közelítő tulajdonsággá fokozza le annak gömbi szimmetriáját.

2. ábra.  A Föld mágneses tere és tengelyes forgása kijelöl egy-egy irányt, amelyek együttes hatása miatt megszűnik állapotának forgási szimmetriája

Az elektromos töltés megmaradásához kapcsolódó szimmetria alapján azt gyaníthatjuk, hogy a legstabilabb anyagi állapot elektromosan semleges. Ezt megerősíteni látszik természetes környezetünk minden megfigyelése. Az  1950-es évtizedben értették meg, hogy az anyag szupravezető állapotában a legalacsonyabb energiájú állapotot kétszeres elektrontöltésű elektronpárok véges sűrűségű „kondenzátuma” alkotja [Nobel-díjak: Alekszej A. Abrikoszov, Vitalij L. Ginzburg, Anthony J. Leggett (2003), J. Georg Bednorz, K. Alex Müller (1987), Leo Esaki, Ivar Giaever, Brian­ D. Josephson (1973), John Bardeen, Leon N. Cooper, Robert Schrieffer (1972)]. A 3. ábrán látjuk, ahogy a kondenzálódott szupravezető elektronpárok felületi körárama csövekbe szorítja a szupravezető anyag belsejében a mágneses fluxust (mágneses vortexképződés).

3. ábra. A szupravezetők egyik osztályának alapállapotában a töltésmegmaradást sértő töltött elektronpárokból (Cooper-párokból) álló kondenzátum hatására a mintára bocsátott külső mágneses fluxus a minta belsejében elemi fluxuscsövekbe (vortexekbe) sűrűsödik össze

A felsorolt jelenségek közös jelzője a „sérült szimmetriájú” alapállapot, amely külső ráhatás nélkül állandósultan fennmarad. Ezért a szimmetria „spontán” sérülését emlegetjük. Köztudott, hogy a hőmérséklet (az energiasűrűség) emelésével mind a mágnesezett, mind a szupravezető állapot megszűnik. A hőmozgás hatására valóban a legnagyobb szimmetriával bíró állapot lesz az alapállapot. Ez a szimmetria restaurációja, amelyhez az út általában egy ugrásszerű állapotváltozáson, az ún. fázisátalakuláson át vezet.

A Japánból Princetonba, majd Chicagóba került, harmincas éveiben járó Y. Nambu figyelmét a szupravezetés Bardeen–Cooper–­Schrieffer- (BCS-) elmélete ragadta meg. Azt az elvont feladatot tűzte ki maga elé, hogy úgy írja le a töltésmegmaradást sértő alapállapot kialakulását, hogy az elmélet minden lépésben mutassa a töltésmegmaradáshoz kapcsolódó szimmetriát. Nobel-díjat pedig azért kapott, mert a szupravezetés mintájára 1960-ban az elemi részecskék világában elsőként tett javaslatot egy „rejtőzködő” szimmetria létezésére.  Elképzelését egyszerű kvantumtérelméleti modellekben is megfogalmazta, amelyeket mindmáig kiterjedten használnak az alább bemutatandó szimmetria megnyilvánulásainak ellenőrzésére. Az erős formai hasonlatosság miatt sokáig az elemi részek szupravezető modelljeként is emlegették a Nambu–Jona-Lasinio-modellt.

Javaslata megelőzte a kvarkok felfedezését. Elképzelése igazán világossá mintegy másfél évtized múlva vált, a kvarkok dinamikája, a kvantumkromodinamika keretei között. A protont és a neutront alkotó kvarkok tömege ugyanis meglepően kicsi, nagyjából ezreléke ezen legstabilabb, erősen kölcsönható részecskék tömegének. Nagysága első közelítésben nullának is vehető. Ekkor a kvarkok elméletében megjelenik a Nambu által javasolt szimmetria, amely szerint a jobbcsavarodással polarizált kvarkok és a balcsavarodással polarizált kvarkok egymástól független részecskeként viselkednek. Nambu Jona-Lasinióval olyan modellt konstruált, amelynek legstabilabb állapotában – mai nyelven fogalmazva – véges sűrűséggel találhatók kvark-antikvark párok. Ez a kondenzátum a szupravezető elektronpárokhoz hasonló képződmény.

A kvarkok kis tömegének jelenlétében kialakuló alapállapot „emlékszik” az ideális eset szimmetriájára. Ennek legfontosabb jele, hogy a „sérült szimmetriájú” alapállapot gerjesztései között a kvarkokból felépülő proton-neutron család mellett megjelent egy könnyű (kvark-antikvark párból álló) gerjesztés is.  A könnyű részecskét, amelynek szükségszerű létezését teljes általánosságban J. Goldstone bizonyította be 1961-ben, Nambu a pionnal azonosította, amelynek tömege a legkisebb az erős kölcsönhatásban részt vevő elemi részek között. Ezzel az elemi részek tömegspektrumában mintát adott a hierarchia megjelenésének okára.

Nambu, visszaemlékezései szerint, teljes mértékig tisztában volt azokkal a következményekkel is, amelyek annak az erőtérnek a tömegét érintik, melyhez modelljének elemi részecskéi hozzácsatolódnak. A fotonokból, melyek a szupravezető elektronokhoz azok töltése révén csatolódnak, egyfajta tömeges gerjesztések alakulnak ki. Nambu ma sajnálkozik, hogy ebbe az irányba nem folytatta tovább vizsgálódásait. Átadta a felfedezés lehetőségét P. W. Higgsnek, aki 1964-ben a szupravezetés Ginzburg–Landau-elméletére támaszkodva ismerte fel, hogy a töltésszimmetria sérülése szorosan kapcsolódik a kölcsönhatásokat közvetítő vektorterek tömegének eredetéhez. A gyenge kölcsönhatást közvetítő erőtereknek, továbbá a leptonoktól a kvarkokig az anyag összes elemi alkotórészének a tömegét is ezzel a mechanizmussal értelmezte. Az elképzelés helyességének teljes igazolásához azonban még hiányzik egy láncszem, az ún. Higgs-részecske kísérleti felkutatása. Vélhető, hogy egy következő Nobel-díj „felvezetéseként” is díjazták a spontán szimmetriasérülés koncepcióját a részecskefizikába bevezető japán–amerikai fizikust.

A Nobel-díj másik fele egy másik részecskefizikai szimmetriasérülési hatás kísérletekkel immár teljes körűen igazolt előrejelzését jutalmazta. Ez is a kvarkok világát érinti, de nem az erős, hanem a gyenge kölcsönhatásokban következik be. 

A gyenge kölcsönhatással végbemenő bomlásokat elemezve Nicola Cabibbo már 1964-ben rájött arra, hogy ezekben nem az a kvark-kombináció vesz részt, mint az erős kölcsönhatásokban. E folyamatokban az ún. ritka kvark (nevét arról kapta, hogy nem fordul elő a protonban és a neutronban) kombinálódik a közönséges kvarkok egyikével. Ezt az ún. keveredési jelenséget tovább vizsgálva jutott el Glashow, Iliopoulos (francia) és Maiani (olasz) egy negyedik kvark feltételezéséhez, amit ma charm (bájos) vagy röviden c-kvark néven emlegetnek. Ez a kvark a ritka kvarkkal alkot párt, ugyanúgy amint azt a protont és a neutront alkotó két kvarkfajta teszi. Továbbá a c-kvark keveredik a közönséges kvarkpár másik (a ritka kvarkkal nem keveredő) tagjával. A keveredésből származó hatásokat nagy részletességgel igazolták kísérletileg.

A hatvanas évek közepére kialakult az elképzelés a két kvarkcsaládos spektrumról, amelyet aztán Richter, illetve Ting Nobel-díjas kísérletei 1973-ban fényesen megerősítettek. Ezek a kvarkok kerültek be a hetvenes évek elején megalkotott egységes elektrogyenge elméletbe is, amelyet a Nobel-díj Glashow, Salam és Weinberg nevével fon össze. A két kvarkcsalád elképzelése jól harmonizált a két leptoncsalád (elektron és neutrínója, illetve müon és neutrínója) létével.

Az egységes elektrogyenge elméletben a kvarkok és anti­kvarkok teljesen szimmetrikusan szerepelnek. Azonban 1964-ben a K-mezon (kaon) és antirészecskéje, az antikaon bomlásait vizsgálva kiderült, hogy az anyag-antianyag szimmetria sérül [Nobel-díj: James Cronin, Val Fitch (1980)]. Kobayashi és Maskawa azt a kérdést vizsgálta, beépíthető-e az anyag-antianyag aszimmetria lehetősége a Standard Modellbe. Vizsgálataik első lépésében kiderítették, hogy két családot feltételezve ez a szimmetria nem sérülhet. Már-már közzétették negatív konklúziójú cikküket, amikor próba szerencse alapon elhatározták, hogy megnézik, mi a helyzet három kvarkcsalád (azaz egy további kvarkpár) feltételezése esetén. Kiderült, hogy ez esetben található a kvarkok tömegét jellemző matematikai objektumban egy paraméter, amely sérti az anyag-antianyag szimmetriát. Ez az észrevétel vezette a két japán kutatót hat­kvark-modelljük felállítására 1976-ban. A kaon-antikaon rendszer tulajdonságainak kísérleti adataival meg is határozták e szabad paramétert.

A Leon Lederman vezette kutatócsoport a Fermi National Laboratory (Fermilab) részecskeütközéseiben már 1977-ben megtalálta az ötödik kvarkot (ez az ún. b-kvark). Közvetett pozitív jelzésnek lehetett felfogni a harmadik lepton, a tau-részecske felfedezését ugyanebben az évben [Nobel-díj: Martin L. Perl (1995)]. Kezdett körvonalazódni a harmadik kvark-lepton család. Végül a hatodik kvark létezésének kimutatására 1994-ig kellett várni, míg a tau-lepton neutrínóját csak néhány évvel ezelőtt sikerült „rávenni” közvetlen kísérleti megnyilvánulásra. 

A jelen téma szempontjából ennél is érdekesebbnek bizonyult, amikor a harmadik családba tartozó b-kvarkokat tartalmazó B0–anti-B0 mezonrendszer bomlásait kezdték vizsgálni 2001-ben egy japán, valamint egy amerikai gyorsítónál megépített berendezéssel. Nemcsak megtalálták a kaon-antikaon rendszerben jó három évtizeddel korábban tapasztalt szimmetriasértést, hanem sikeresen meghatározták azt a paraméterértéket is, amely a Cabibbo–Kobayashi–Maskawa- (CKM-) elméletben szükséges a jelenség leírásához. Az eredmény egyezést mutat a kaon-antikaon bomlásokból meghatározott értékkel. Ez arra utalna, hogy az anyag-antianyag szimmetria sérülésének a CKM-paraméter az egyetlen forrása. 

A fizikai díj bizottságának titkára, Lars Brink, a göteborgi Chalmers Egyetem professzora a díjátadó ünnepségen elmondott méltatásában az anyag-antianyag szimmetria jelentőségének megvilágítására Andrej Szaharov elemzését idézte fel. A szintén Nobel-díjas (bár nem fizikai díjat elnyert) tudós elsőként kapcsolta össze 1967-ben a kozmikus környezetünkben tapasztalható anyagtúlsúlyt az elemi részek világában érvényesülő törvényekkel. Az aszimmetria kialakulási feltételeit keresve jutott el annak felismeréséhez, hogy az elemi részek kölcsönhatásainak szintjén is elengedhetetlen az anyag-antianyag szimmetria sérülése. Ma a részecskefizikusok többsége úgy véli, hogy a Kobayashi–Maskawa-mechanizmussal megérthető mértékű szubnukleáris anyag-antianyag aszimmetria nem elegendő a kozmikus aszimmetria megértéséhez. Amennyiben az elemi részecskék „állatkertje” bővebb, pl. az alapállapotnak léteznek szuperszimmetrikus partnergerjesztései is, akkor további forrásai is létezhetnek a részecske-antirészecske szimmetriát sértő hatásoknak. 

Sok évtizedes barátságunk ellenére Brink professzor betartotta a bizottság tagjaira kötelező semlegességet és nem mondott véleményt egy anyag-antianyag szimmetriát sértő újabb mechanizmus esetleges felfedezésének díjesélyeiről. Magam úgy vélem, hogy egy ilyen felfedezés bizonyára befolyásolná a Nobel-díjra érkező jövőbeli jelöléseket. Ez a kutatás ugyanis végső soron a fizika válaszát keresi a híres filozófiai kérdésre: „miért létezik bármi a semmi helyén?”, azaz miért nem sugárzódott szét minden anyag a megfelelő antianyaggal struktúra nélküli sugárzássá, ami a tökéletes szimmetriát mutató alapállapota lenne univerzumunknak. 

---

Természet Világa,

140. évfolyam, 3. szám, 2009. március https://www.termvil.hu/  https://www.chemonet.hu/TermVil/