О.Закутняя. Асимметричный ответ

"Итоги", № 44, 27.10.2008

Исследуя процесс взаимодействия элементарных частиц, японские ученые ответили на вопрос о том, как возникла Вселенная. Именно за это открытие они и получат свою Нобелевскую премию по физике за 2008 год.

СПОНТАННОЕ НАРУШЕНИЕ СИММЕТРИИ понять довольно просто-достаточно представить карандаш, стоящий на острие. Пока он находится в вертикальном положении, все направления для него в потенциале равноценны. Едва же равновесие теряется и карандаш падает, происходит нарушение симметрии - одно из направлений выбирается случайным образом. Спонтанным этот процесс называют потому, что предсказать, как предмет упадет в реальности, невозможно. Пример, казалось бы, далекий от физики микромира, но принципиально верно отражающий суть. Наша Вселенная почти симметрична, и физика, описывая ее, тоже во многом говорит языком симметрии. Тем большее значение имеют нарушения равновесия - часто именно несимметричное становится основой для дальнейшего развития. Таким явлениям и посвящены работы лауреатов Нобелевской премии 2008 года Иоитиро Намбу, Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскавы.

У истоков Стандартной модели

Профессор Иоитиро Намбу (Институт Энрико Ферми Чикагского университета, США), получивший половину премии "за открытие механизмов спонтанного нарушения симметрии в субатомной физике", первым разработал механизм спонтанного нарушения симметрии в мире элементарных частиц.

Правда, прежде это же явление, но применительно к другим областям изучали многие. В частности, в контексте статистической механики, которая имеет отношение к сверхпроводимости, эти вопросы исследовал Николай Боголюбов (выдвигавшийся на Нобелевскую премию, но, к сожалению, ее не получивший). Сам Иоитиро Намбу тоже пришел к идее о спонтанном нарушении симметрии через физику сверхпроводников и в своих работах, кстати, ссылался на Боголюбова. Но он впервые применил методы, развитые в других областях физики, к элементарным частицам.

"Математически спонтанное нарушение симметрии в статистической механике и в физике элементарных частиц описывается практически одинаково, - объясняет Дмитрий Казаков, главный научный сотрудник Лаборатории теоретической физики им. Н. Н. Боголюбова Объединенного института ядерных исследований. - Иоитиро Намбу предложил конкретный механизм реализации этого процесса в микромире". Работы профессора Намбу относятся к самому началу 1960-х годов, когда физики элементарных частиц в современном понимании не существовало. Далеко не все частицы были уже известны, еще не имелось Стандартной модели, объединяющей их электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. В это время (точнее, в 1961 году) Иоитиро Намбу совместно с итальянским физиком Иона-Лазинио в статье под названием "Динамическая модель элементарных частиц, основанная на аналогии со сверхпроводимостью" предложили модель, в которой попытались объяснить, почему ядерные элементарные частицы (нуклоны) имеют массу. Проанализировав предложенную модель, ученые пришли к выводу, что она допускает спонтанное нарушение так на - зываемои киральной симметрии вакуума. Модель, предложенную Намбу и его коллегами, затем переформулировали с учетом новых экспериментов и данных (в модели Намбу, например, не было кварков, так как тогда о них просто не знали). Дальнейшие работы над ней привели ко многим важным следствиям: в частности, предложенный Намбу механизм спонтанного нарушения симметрии позволил ввести понятие Хиггсовского поля - предполагаемого поля, обеспечивающего нарушение электрослабых взаимодействий. Есть гипотеза, что сразу после Большого взрыва вакуум был симметричным, и все элементарные частицы, появившиеся в нем, имели нулевую массу. Но по мере того как Вселенная остывала, симметрия вакуума изменилась из-за спонтанного нарушения симметрии электрослабых взаимодействий, за которое и ответственно поле Хиггса. Одним из результатов этого нарушения стало то, что элементарные частицы обрели массу. Квант поля Хиггса - Хиггсовский бозон - сейчас предполагают обнаружить в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

Антиподы не мы

Работы Макото Кобаяси (Организация по исследованиям в области ускорителей высоких энергий, Япония) и Тосихидэ Маскавы (Институт теоретической физики имени Юкавы Киотского университета, Япония), разделивших вторую половину премии "за открытие источника нарушения симметрии, которое предсказывает существование в природе как минимум трех семейств кварков", стали своего рода развитием идей, предложенных Намбу, но применительно к более узкой теме - нарушению так называемой СР-симметрии, или комбинированной четности. Буквы С и Р обозначают два типа симметрии: зарядовую (С от charge - "заряд") и зеркальную (Рот parity - "соответствие"). Первая заключается в том, что частицы и античастицы имеют одинаковые свойства, отличаясь только зарядами. Зеркальная симметрия значит, что все события квантового мира протекают одинаково вне зависимости оттого, происходят они в нашем мире или в зеркально отраженном. Совместив эти симметрии, получим, что СР-симметрия, или СР-четность, означает совпадение свойств частиц и античастиц в нашем и зеркально отраженном пространстве.

Некоторое время считалось, что эти симметрии выполняются всегда, но в 1956 году эксперименты с распадом ядер радиоактивного кобальта-60 показали нарушение зеркальной симметрии. А немного позднее было обнаружено нарушение уже СР-симметрии при радиоактивном распаде К-мезонов. Оказалось, что К-мезоны и их антидвойники ведут себя чуть-чуть по-разному в слабых взаимодействиях, которые определяют радиоактивный распад ядер. Эти события заставили физиков серьезно задуматься над объяснением такого странного поведения элементарных частиц.

По мере развития физики стало понятно, что эти "странности" необходимо связать с кварками - элементарными частицами, из которых состоят тяжелые адроны (к ним относятся, например, протоны и нейтроны). Первым к решению подошел итальянский физик Никола Кабиббо, предположивший, что при взаимодействии кварков происходит их "перемешивание". Чтобы определить свойства получившихся в результате этих процессов частиц и описать эффекты их взаимодействия, Кабиббо составил специальную матрицу. Она описывала поведение четырех кварков из двух известных к тому времени семейств: u, d, с, s.

Однако матрица Кабиббо, включавшая только один параметр - угол смешивания (или угол поворота частиц), - не могла объяснить нарушение СР-четности. Это сделали Кобаяси и Маскава в начале 70-х годов. Они включили в матрицу Кабиббо еще одну величину - фазу. Именно наличие фазы позволило объяснить нарушение СР-четности. Кроме этого, физикам потребовалось сделать одно достаточно смелое теоретическое предсказание - предположить существование еще одного семейства кварков из двух частиц: t и b.

"Наша работа состояла из двухчастен, - объясняет Макото Кобаяси. - Во-первых, мы поняли, что четырех кварков недостаточно, чтобы объяснить нарушение СР-симметрии, и это было вполне логичным. Но вторая часть состояла в том, чтобы определить, какие же новые частицы могли бы объяснить это нарушение. Вариантов было довольно много, но лишь один из них - а именно наличие шести кварков - казался нам единственно возможным".

Экспериментально предсказание японских физиков удалось подтвердить лишь несколько лет спустя: b-кварк открыли в 1977 году, а t-кварк - почти через 20 лет, в середине 90-х. Кроме этого нарушения СР-четности, которые предсказывает объединенная СКМ-матрица (по первым буквам фамилий создавших ее ученых - Cabibbo, Kobayashi, Maskawa), были подтверждены при распаде В-мезонов в нескольких экспериментах на ускорителях.

К сожалению, хотя матрица носит имя трех ученых, Нобелевскую премию получили лишь двое из них. Это уже стало предметом некоторого недоумения в научном мире: вклад Кабиббо в работу был весьма серьезен, так как именно он предложил оригинальный механизм смешивания кварков. Если же учесть, что у статьи первого лауреата также был итальянский соавтор, то ситуация приобретает некоторую странность. Решение Нобелевского комитета можно объяснить жестким правилом - не больше трех лауреатов в одной области в год. Но и в этом случае предпочтение одних перед другими вызывает нарекания со стороны ученых. Есть ли у проблемы объективное решение - пока неизвестно.

Законы асимметрии

Работы нобелевских лауреатов касаются самых малых физических объектов - элементарных частиц. Но открытия в микромире могут иметь большое значение и для тех, кто занимается такими "макрообъектами", как Вселенная. В первые доли секунды после Большого взрыва и происходили те нарушения симметрии, которые определили наш мир. Хиггсовское поле, нарушившее симметрию электрослабых взаимодействий, подарило Вселенной массу. А нарушенная СР-четность спасла вещество от полной аннигиляции, чуть-чуть увеличив число частиц по отношению к античастицам. "Нарушения СР-симметрии необходимы для того, чтобы в природе нарушился баланс между материей и антиматерией, - объясняет Дмитрий Казаков. - Во время Большого взрыва родилось одинаковое количество материи и антиматерии: на каждую частицу приходилась ее античастица. Если бы паритет оставался, то вся материя аннигилировала с антиматерией и в нашей Вселенной остались бы только фотоны. Но по каким-то причинам в ранней Вселенной произошло спонтанное нарушение СР-симметрии, которое привело к тому, что материи стало немного больше. Перевес был очень мал - приблизительно в одну частицу на десять миллиардов. Но его оказалось достаточно, чтобы появилась наша Вселенная".

Нарушения симметрии оказываются совсем небольшими, но их последствия - определяющими. Чтобы объяснить значение этого, Дмитрий Казаков прибегает к аналогии: "Представьте себе бутылку из-под шампанского. Если ее вращать вокруг вертикальной оси, ничего не изменится - бутылка, говоря языком физики, инвариантна относительно вращения вокруг вертикальной оси. А теперь представьте, что вы бросаете внутрь горошину. Донышко у бутылки выпуклое. Куда попадет горошина, если бросать ее точно в центр? На верхушке усидеть она не может, так как это состояние крайне нестабильно, но все положения внизу равны. Если же, бросая горошину, вы чуть-чуть наклоните бутылку, то горошина, естественно, упадет в самое низкое место (займет положение с наименьшей энергией). Когда вы снова выпрямите бутылку, то конструкция станет симметричной, как и прежде, но горошина уже заняла несимметричное положение. Предполагается, что нечто подобное происходило и в нашей Вселенной - в самом начале ее симметрия была чуть-чуть нарушена, а потом восстановилась. Если бы ее не было вовсе, то сама бутылка была бы кривая, а наша Вселенная - несимметричная. Но мы видим сейчас, что это не так - Вселенная в основном симметрична".

К сожалению, ответа на вопрос, что же именно нарушило симметрию в самом начале нашего мира, пока нет. Но нам вполне под силу проверить, работают ли предложенные теоретиками механизмы нарушения симметрии. В частности, Большой адронный коллайдер, торжественное открытие которого состоялось на прошлой неделе (хотя пуск и перенесен из-за аварии на следующую весну), должен прояснить проблему существования бозона Хиггса - единственной элементарной частицы Стандартной модели, пока не обнаруженной экспериментально. Тем самым подтвердить и правильность последней - основы физики элементарных частиц, из которой следует существование бозона Хиггса.

Что произойдет, если физики не обнаружат искомое, предсказать трудно. Впрочем, как полагает Дмитрий Казаков, это вовсе не будет автоматически означать несостоятельность Стандартной модели - ее достаточно хорошо подтверждают эксперименты. Возможно, несколько другим окажется механизм нарушения симметрии. Или свойства бозона Хиггса в реальности будут немного отличаться от "запланированных", а эксперимент нацелен на открытие частицы с конкретными свойствами. Но в любом случае его результаты серьезно повлияют на наше понимание элементарных частиц. И как знать, может быть, подарят нам совершенно новую физику. Тем удивительнее будет, что предпосылки этой новой физики создавались в самом сердце старой - в середине XX века при изучении несимметрий в мире элементарных частиц.