Trócsányi Zoltán Az eltőnt szimmetria nyomában - a 2008. évi fizikai Nobel-díj
A Fizikai Nobel-díj érme: Inventas vitam juvat excoluisse per artes Kik felfedezéseikkel jobbítják a világot
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
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 2008. decemberi számában
Klasszikus építészek szerettek szimmetrikus épületet tervezni
A szimmetrikus arcokat szépnek találjuk az aszimmetrikusokat nem
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
I. rész: Spontán szimmetriasértés (kutyafuttában, részletek a Szemlében)
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 (?)
SM jóslatok és kísérleti eredmények
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
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?
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
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
Fizikai Nobel-díj 2008 Joichiro Nambu (E. Fermi Inst) a szubatomi fizika spontán szimmetriasértésének felfedezéséért
Az LHC célkitőzése a Higgs-bozon kísérleti kimutatása Az LHC alagút
Közlekedés az LHC alagútban
Az összerakott LHC
Az ATLAS beljese
A CMS elektromágneses kalorimétere
Az ATLAS összeszerelése
CMS véglezáró
ATLAS közepe
CMS leeresztése
CMS leeresztése
ATLAS toroidok
ATLAS
ATLAS
CMS
Az LHC GRID egyik központja
A nyaláb keresztmetszete az LHC vezérlıközpont monitorán (08.09.10)
3 nyaláb keresztmetszete a CMS monitorán (08.09.10)
Az LHC mágnesek csatlakoztatása
Az LHC mágnesek csatlakoztatása
2008.09.18: Ellökött LHC mágnesek
Az LHC mágnesek csatlakozása a baleset után
II. rész: Diszkrét szimmetriák dinamikai sérülése
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?)
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 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
Folyamatok leírására Feynman-gráfok
π µνµ
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
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
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
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 ) = 0.9 10 10 s S ( K 0 3π ) = 0.5 10 7 s L A kísérletben elıállított kétféle semleges kaon K S és K L keveréke?
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 = = 1 2 1 2 ( 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?
Ismert fermionok a hıskorban ν e e ν µ µ u d c? s
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!
Ízcserélı semleges áramok elkerülése (GIM mechanizmus) Legyen V unitér mátrix (V V=1)! = Lehet-e V valós mátrix? (a Cabbibo-mátrix valós)
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
Egy Nobel-díjas számolás NxN unitér mátrixnak 2 N 2 -N 2 = N 2 független paramétere van
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
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
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
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?
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
Fermionok és ábrázolásaik dimenziója, ill. kvantumszámaik a Standard modellben
A SM-ben N=3, tehát V komplex na és?
A SM-ben N=3, tehát V komplex na és? Komplex V esetén a CP szimmetria sérül! Eredeti elmélet: + CP tükrözés után az elmélet: +
Fizikai Nobel-díj 2008 Makoto Kobayashi (KEK, Tsukuba) Toshihide Maskawa (Kyoto University) a sérült szimmetria felfedezésért, mely legalább három kvarkcsalád létezését jósolja
Közvetlen CP-sértés B-mezon bomlásában + A 1 2 e iϕ 2 2 2 = + + 2 2 1 2 1 2 A + A A A A A 1 cos ϕ
A híres pingvin-gráf
Köszönöm a figyelmet! és várjuk a 2009. évi díjesıt!
A Higgs mechanizmus A vákuummal való kölcsönhatás tömeget eredményez D. J. Miller