Trócsányi Zoltán. Az eltőnt szimmetria nyomában - a évi fizikai Nobel-díj

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Trócsányi Zoltán. Az eltőnt szimmetria nyomában - a évi fizikai Nobel-díj"

Liliána Gabi Pintérné
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 Trócsányi Zoltán Az eltőnt szimmetria nyomában - a évi fizikai Nobel-díj

2 A Fizikai Nobel-díj érme: Inventas vitam juvat excoluisse per artes Kik felfedezéseikkel jobbítják a világot

3 Fizikai Nobel-díj 2008 Joichiro Nambu Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa (E. Fermi Inst) (KEK, Tsukuba) (Kyoto University) a szubatomi fizika spontán szimmetriasértésének felfedezéséért a sérült szimmetria felfedezésért, mely legalább három kvarkcsalád létezését jósolja

4 Vegyítsed enyvvel, vagy kıporban fızd, Bocsásd rá sáskák falánk hadát, Fı elv lebegjen szemed elıtt Ne bontsd meg a szimmetriát! Lewis Carroll Az elıadás anyaga olvasható a Fizikai Szemle decemberi számában

5 Klasszikus építészek szerettek szimmetrikus épületet tervezni

6 A szimmetrikus arcokat szépnek találjuk az aszimmetrikusokat nem

7 Szimmetria a fizikában Jelenségek szimmetrikusak például billiárdgolyók ütközésének filmje fordítva is lejátszható Newton elmélete szimmetrikus az idı tükrözésével (T) szemben T 2 =1, diszkrét szimmetria Léteznek folytonos szimmetriák Noether-tétel: Minden folytonos szimmetriához megmaradó mennyiség tartozik (energia, lendület, perdület megmaradása a tér-idı transzformációkból) A tér-idı szimmetriák nagy pontossággal teljesülnek

8 I. rész: Spontán szimmetriasértés (kutyafuttában, részletek a Szemlében)

9 Szimmetria a részecskefizikában Mértékszimmetria legszebb/leggazdaságosabb elméletépítési elv Megmagyarázza a kölcsönhatások eredetét Könnyen kvantálható A mértékszimmetriára épülı Standard modell az erıs, elektromágneses és gyenge kölcsönhatások egységes kvantum-mezıelméleti leírása, szimmetriacsoportja SU(3) c SU(2) L U(1) Y A SM a részecsekfizikai szóráskísérletekben győjtött mérési adatok nagy pontosságú leírását szolgáltatja. a SM helyes (?)

10 SM jóslatok és kísérleti eredmények

11 Az elektrogyenge szimmetria nem tapasztalható Tömeggel rendelkezı részecskéket leíró elmélet nem lehet SU(2) L U(1) Y szimmetrikus Az összes fermion, a mértékterek elemi gerjesztései közül három tömeges Csak az erıs és EM kölcsönhatás közvetítıinek nulla a nyugalmi tömege A tapasztalt szimmetria SU(3) c U(1) EM

12 A mai részecskefizika legfontosabb nyitott kérdése Hogyan marad rejtve az elektrogyenge szimmetria? Mi az SU(3) c SU(2) L U(1) Y SU(3) c U(1) EM szimmetriasérülés oka? Honnan nyerik az elemi részecskék tömegüket?

13 Lehetséges válasz: spontán szimmetriasértés A természeti törvények szimmetriáját a megfigyelhetı jelenségek nem feltétlenül tükrözik: Pl. a kölcsönhatásokat leíró törvények szimmetriáját az alapállapot (mezıelméletben vákuum) sérti Ferromágnesség Heisenberg-féle elmélete: elektromágnesség a tér háromdimenziós forgatásaival szemben szimmetrikus T c alatt az atomok spinjei egy irányba állnak be Nem relativisztikus alkalmazás A részecskefizikai mezıelmélet relativisztikus

14 Yoichiro Nambu: spontán szimmetriasértés a (relativisztikus) szubatomi fizikában Szupravezetés BCS-elmélete alapján (az elektron fázisának szabad megválasztása spontán sérül, csak az elıjel megválasztásával szembeni szimmetria marad meg Cooperpárok ) SU(2) L SU(2) R szimmetrikus térelméleti modell a nukleonok közötti kölcsönhatás leírására Megmutatta, hogyan lehet a spontán szimmetriasértést kvantum-mezıeléméletben megfogalmazni Az ötlet lett korszakalkotó A valószínőnek tartott megvalósulás a Higgsmechanizmus

15 Fizikai Nobel-díj 2008 Joichiro Nambu (E. Fermi Inst) a szubatomi fizika spontán szimmetriasértésének felfedezéséért

16 Az LHC célkitőzése a Higgs-bozon kísérleti kimutatása Az LHC alagút

17 Közlekedés az LHC alagútban

18 Az összerakott LHC

19 Az ATLAS beljese

20 A CMS elektromágneses kalorimétere

21 Az ATLAS összeszerelése

22 CMS véglezáró

23 ATLAS közepe

24 CMS leeresztése

25 CMS leeresztése

26 ATLAS toroidok

27 ATLAS

28 ATLAS

29 CMS

30 Az LHC GRID egyik központja

31 A nyaláb keresztmetszete az LHC vezérlıközpont monitorán ( )

32 3 nyaláb keresztmetszete a CMS monitorán ( )

33 Az LHC mágnesek csatlakoztatása

34 Az LHC mágnesek csatlakoztatása

35 : Ellökött LHC mágnesek

36 Az LHC mágnesek csatlakozása a baleset után

37 II. rész: Diszkrét szimmetriák dinamikai sérülése

38 Diszkrét szimmetriák a részecskefizikában Idıtükrözés (T, T 2 = 1) Tértükrözés (P, P 2 = 1) lendület - lendület, spin spin => helicitás -helicitás Töltéstükrözés (C, C 2 = 1) részecske antirészecske (neutrínó, antineutrínó ugyanaz, vagy más?)

39 Részecskék piciny golyók? Newtoni mechanika szimmetrikus idıtükrözéssel (konzervatív kölcsönhatás esetén) tértükrözéssel szemben T.D. Lee, C.N. Yang, 1956: gyenge kölcsönhatásban a tértükrözés sérül! C.S. Wu mérte meg, de L. Ledermann kísérlete egyszerőbb: szénben megállított pionok bomlásában keletkezı leptonok helicitását mérték pion spinje és lendülete nulla => vagy mindkét bomlástermék balkezes, vagy mindkettı jobbkezes

Folyamatok leírására Feynman-gráfok Fermionok: folytonos irányítású egyenes vonal antifermionok balra fermionok jobbra Mértékbozonok: irányítás nélküli nem-egyenes

40 Folyamatok leírására Feynman-gráfok Fermionok: folytonos irányítású egyenes vonal antifermionok balra fermionok jobbra Mértékbozonok: irányítás nélküli nem-egyenes vonalak: foton hullámos W, Z bozonok főrész gluonok hurkolt Kölcsönhatás: egy pontban összefutó három (két fermion- és egy bozon-) vonal W-vel töltött, a többivel semleges áram

41 Folyamatok leírására Feynman-gráfok

42 π µνµ

43 π µν µ P ( + + ) ( + + π µ ν = π µ ν ) L R Γ ( + + µ ) 0 π ( + + Γ π µ ) = 0 ν L ν R A gyenge kölcsönhatásban a tértükrözési szimmetria sérül

44 π µν µ C Γ ( + + π µ ) 0 ν L ( + + ) ( π µ ν = π µ ν ) L L A gyenge kölcsönhatásban a töltéstükrözési szimmetria sérül Γ ( π µ ) = 0 ν L

45 π µν µ Γ ( + + π µ ) 0 ν L A gyenge kölcsönhatásban a tér- és töltéstükrözési szimmetria érvényes (?) CP Γ ( + + ) ( π µ ν = π µ ν ) L ( + + ) ( π µ ν = Γ π µ ) L ν R R

46 CP-sértés a semleges kaonok bomlásában Kétféle semleges kaon elıállítása: π p K 0 Λ 0 π + p K 0 K + p τ τ ( K 0 2π ) = s S ( K 0 3π ) = s L A kísérletben elıállított kétféle semleges kaon K S és K L keveréke?

47 CP-sértés a semleges kaonok bomlásában 2π 0 tértükrözésre szimmetrikus (P = +1), tehát CP=+1 3π 0 tértükrözésre antiszimmetrikus (P=-1), tehát CP=-1 CP K 0 = K 0 K K 0 S 0 L = = ( 0 0 K + K ) CP = + 1 ( 0 0 K K ) CP = 1 Igen jó közelítéssel teljesül, de BR ( 0 ) 3 π + π 10 K L (Christenson, Cronin, Fitch, Turlay (1964) Megerısítést nyert a B S bomlásokban (2001) Hogyan értelmezhetı a CP-sértés a SM-ben?

48 Ismert fermionok a hıskorban ν e e ν µ µ u d c? s

49 Új áramok helyett Cabbibo-keveredés. cos sin ' sin cos ', ', ' C C C C s d s s d d s c d u θ θ θ θ + = + = = C C C C cos sin sin cos θ θ θ θ cs cd us ud V V V V ( ) ( ) C 2 C 2 cos sin θ θ ν µ π ν µ µ µ Γ Γ K Csak a töltött áramban!

50 Ízcserélı semleges áramok elkerülése (GIM mechanizmus) Legyen V unitér mátrix (V V=1)! = Lehet-e V valós mátrix? (a Cabbibo-mátrix valós)

51 Akik nem tudják a matematikát, azoknak nehéz felfogniuk a természet mélységes szépségét Ha meg akarjuk érteni a természetet, el kell sajátítanunk a nyelvét. Richard P. Feynman

52 Egy Nobel-díjas számolás NxN unitér mátrixnak 2 N 2 -N 2 = N 2 független paramétere van

53 tb tb ts ts td td cb cb cs cs cd cd ub ub us us ud ud i r i r i r i r i r i r i r i r i r ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ exp exp exp exp exp exp exp exp exp

54 Egy Nobel-díjas számolás NxN unitér mátrixnak 2 N 2 -N 2 = N 2 független paramétere van V CKM 2N kvarkállapotot köt össze, melyek közül 2N-1 fázisa szabadon választható

55 tb tb ts ts td td cb cb cs cs cd cd ub ub us us ud ud i r i r i r i r i r i r i r i r i r ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ exp exp exp exp exp exp exp exp exp

56 tb tb ts ts td td cb cb cs cs cd cd ub ub us us ud ud i r i r i r i r i r i r i r i r i r ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ exp exp exp exp exp exp exp exp exp Lehet-e az összes φ = 0?

57 Egy Nobel-díjas számolás NxN unitér mátrixnak N 2 független paramétere van V CKM 2N kvarkállapotot köt össze, melyek közül 2N-1 szabadon választható, marad N 2 -(2N-1) = (N-1) 2 független paraméter Lehet-e ez mind valós? Nem, ha legalább három kvarkcsalád van! NxN ortogonális (valós unitér) mátrixnak N (N-1)/2 független paramétere van => V-nek (N-1) 2 - N (N-1)/2 = (N-1) (N-1-N/2) = = (N-1) (N-2)/2 komplex fázisa van. Cabbibo: N=2, nincs komplex fázis Kobayashi-Maskawa: N=3, egy komplex fázis

58 Fermionok és ábrázolásaik dimenziója, ill. kvantumszámaik a Standard modellben

59 A SM-ben N=3, tehát V komplex na és?

60 A SM-ben N=3, tehát V komplex na és? Komplex V esetén a CP szimmetria sérül! Eredeti elmélet: + CP tükrözés után az elmélet: +

61 Fizikai Nobel-díj 2008 Makoto Kobayashi (KEK, Tsukuba) Toshihide Maskawa (Kyoto University) a sérült szimmetria felfedezésért, mely legalább három kvarkcsalád létezését jósolja

62 Közvetlen CP-sértés B-mezon bomlásában + A 1 2 e iϕ = A + A A A A A 1 cos ϕ

63 A híres pingvin-gráf

64 Köszönöm a figyelmet! és várjuk a évi díjesıt!

65 A Higgs mechanizmus A vákuummal való kölcsönhatás tömeget eredményez D. J. Miller

Hasonló dokumentumok

Magfizika szeminárium

Paritássértés a Wu-kísérletben Körtefái Dóra Magfizika szeminárium 2019. 03. 25. Áttekintés Szimmetriák Paritás Wu-kísérlet Lederman-kísérlet Szimmetriák Adott transzformációra invaráns mennyiségek. Folytonos