Объявлены лауреаты Нобелевской премии по физике за 2008 год. Половина премии будет вручена японскому физику Йоихиро Намбу, который уже много лет работает в Чикагском Университете (США), но сотрудничает и с различными японскими университетами. Другая половина будет разделена поровну между еще двумя японскими физиками, Макото Кобаяши и Тосихида Маскава, работающими в самой Японии. В обоих случаях премия отмечает достижения в описании так называемых нарушенных симметрий. Что это такое?

Когда физики стали изучать явления внутри атомных ядер, они столкнулись с большими трудностями. Если силы в окружающем нас мире порождены в основном гравитацией и электромагнетизмом, то внутри ядер проявления гравитации столь малы, что пока вообще не обнаружены. Зато обнаружились два совершенно новых вида взаимодействий, сильные (они определяют энергию связи ядер и многие ядерные процессы) и слабые (они проявляются в бэта-распадах и в некоторых других процессах). Эти взаимодействия имеют очень малый радиус действия, меньше размеров атома, и не имеют аналогий в макроскопических явлениях. В результате, было очень сложно применять к субатомной физике те или иные привычные понятия.

В таких случаях полезны различные симметрии, которые позволяют описать многие свойства процессов, не вдаваясь в детали самих процессов. Простейшим примером является закон сохранения энергии. Он позволяет утверждать, что какие бы процессы ни происходили в замкнутой системе, конечная энергия ее окажется строго равной начальной энергии.

Однако многие симметрии в субатомной физике оказываются спонтанно нарушенными. Чтобы понять, что это такое, рассмотрим привычное явление намагничивания. Возьмем железный шар. Пока он не намагничен, для него все направления в пространстве равноправны (это называется вращательной симметрией). Но если шар намагничен, у него появляется выделенное направление, и вращательная симметрия нарушается. Это как раз пример спонтанного нарушения. Более сложным примером спонтанного нарушения симметрии оказывается сверхпроводимость; на разработку ее теоретического описания потребовалось больше 40 лет после экспериментального открытия.

Й.Намбу предложил описывать спонтанное нарушение симметрий в субатомной физике по аналогии как раз с описанием сверхпроводимости. Наиболее детально его идеи изложены в двух статьях, написанных вместе с его учеником Йона-Лазинио и опубликованных в журнале Physical Review в 1961 году. С тех пор этот подход широко используется при построении моделей для описания самых разных проявлений как сильных, так и слабых взаимодействий. Для демонстрации степени популярности метода достаточно сказать, что число ссылок на 1-ю статью Намбу и Йона-Лазинио достигло почти 3000, а на 2-ю – более 1300 (обычно уже 100 ссылок на одну статью считается довольно большим числом). Следует отметить, что Намбу выдвинул и много других идей, активно используемых в современной теории элементарных частиц, хотя они и не упомянуты Нобелевским комитетом.

М.Кобаяши и Т.Маскава занимались другими проблемами, тоже связанными с симметриями и их нарушением. Сильные взаимодействия сохраняют пространственную четность P (т.е. не меняются при отражении в зеркале) и зарядовую четность C (т.е. не меняются при замене всех частиц античастицами). Однако в 1956 г. было доказано, что в слабых взаимодействиях эти симметрии нарушаются. При этом их произведение CP (Ландау назвал его комбинированной четностью) вроде бы сохранялось. Так что все процессы с античастицами в «зазеркалье» должны были происходить так же, как процессы с частицами в нашем мире (а изолированные частицы и античастицы в пустом пространстве были бы не отличимы). Но опубликованные в 1964 г. экспериментальные данные показали, что слабые взаимодействия могут нарушать и CP-симметрию. Нарушение обнаружилось в распадах частиц, которые называют K-мезонами. Оно описывалось всего одним, притом очень маленьким, числом. В такой ситуации невозможно выявить механизм CP-нарушения, и стали появляться различные предположения, как оно могло бы возникать. Среди прочих, в 1973 году было опубликовано предложение М.Кобаяши и Т.Маскавы. Конечно, все гипотезы успешно описывали единственное измеренное число, и различить их можно было, только обнаружив еще какой-то CP-нарушающий эффект.

Подходящий эффект нашелся довольно быстро. CP-симметрия запрещает элементарным частицам иметь электрический дипольный момент (ЭДМ), а CP-нарушение снимает этот запрет. Начались интенсивные поиски ЭДМ различных частиц. Найти ЭДМ так и не удалось (и до сих пор), возникали лишь ограничения на его величину. Для нейтрона наиболее жесткое ограничение получили экспериментаторы ЛИЯФ. И, как показали в 1978 г. расчеты теоретиков ЛИЯФ А.А.Ансельма и его учеников, этого оказалось достаточно, чтобы отбросить некоторые из теорий CP-нарушения. Была отброшена и наиболее популярная тогда идея, что CP-нарушение порождается хиггсовскими бозонами (теми самыми, которые попытаются найти на Большом Адронном Коллайдере). На первый план вышло предложение М.Кобаяши и Т.Маскавы, которые связали CP-нарушение непосредственно с кварками.

Это предложение, в момент его публикации, было довольно смелым. Дело в том, что кварки в слабых взаимодействиях участвуют группами (их называют поколениями).

К 1973 г. было известно, что существуют 2 поколения, хотя были найдены даже не все входящие в них кварки. А механизм Кобаяши-Маскавы (КМ) требовал существования, по меньшей мере, трех поколений! Но уже через год после публикации был открыт очарованный кварк, завершивший 2-е поколение, а затем появились указания и на существование 3-го поколения. Открытие этого поколения было завершено лишь к 1994 г. сообщением о наблюдении t-кварка. Однако существование трех поколений, хотя и согласуется с гипотезой КМ, но не доказывает ее.

Для критической проверки гипотезы было предложено исследовать распады B-мезонов (более тяжелых, чем K-мезоны, и содержащих b-кварки, принадлежащие к 3-му поколению). С этой целью в США и в Японии были построены большие установки, названные B-фабриками. Их данные, накопленные за 15 лет, показали убедительное согласие с гипотезой КМ. Таким образом, механизм, предложенный Кобаяши и Маскавой для CP-нарушения, стал общепринятым. Число ссылок на их статью уже почти достигло 5500.

Следует, впрочем, отметить, что точное число ссылок и на работу Кобаяши и Маскавы, и на работы Намбу и Йона-Лазинио уже не поддается надежному учету, поскольку о них часто говорят теперь без ссылки на конкретную статью (вроде как про законы Ньютона).

Хотя данные указывают на ведущую роль механизма КМ, современные теоретические представления позволяют ожидать существования и других источников CP-нарушения.

В связи с этим ЭДМ нейтрона может опять оказаться весьма полезным. КМ-механизм предсказывает для него чрезвычайно малое значение, на 6-7 порядков ниже достигнутых ограничений. Если по мере уточнения экспериментов будет найдено более высокое значение, это будет прямым указанием на вклад других источников CP-нарушения.

Явление CP-нарушения представляет интерес не только для физики элементарных частиц. Анализ, проделанный А.Д.Сахаровым в 1967 г., показал, что это нарушение совершенно необходимо для объяснения, почему на Земле и в видимой Вселенной есть вещество, но практически нет антивещества. Однако для полного объяснения необходимо нарушение и некоторых других симметрий, которые пока выглядят точными. Например, протон должен быть нестабильным, хотя время его жизни может быть чрезвычайно большим (по существующим данным оно превышает время существования видимой Вселенной). Так что фундаментальные открытия в микромире, скорее всего, еще не кончились.

Я.И. Азимов

Йоихиро Намбу, 88 лет, японец, живущий в США, профессор Чикагского университета, получил Нобелевскую премию по физике 2008 года за «открытие механизма спонтанного нарушения симметрии в субатомной физике».

Первая работа, которая по сути дела и дала Й.Намбу право на награду, была выполнена в 1960 году (совместно с его учеником Йона-Лазинио). Она рассматривала проблему возникновения масс элементарных частиц как результат взаимодействия между ними. Идея о таком происхождении массы обсуждалась уже с начала 20 века. В современной теории именно Й.Намбу сделал первый конкретный шаг, первое до конца проведенное вычисление. Это был небольшой, но важный и, как оказалось, очень перспективный шаг. Две последовательные работы начала 60-х годов вызвали огромный интерес, методы широко применяются до сих пор в различных областях физики частиц (около 3000 и 1300 ссылок на две статьи).

Задачей этой работы было перевести в релятивистскую физику взаимодействующих полей механизмы, которые в то время (в 1956г.) привели к объяснению явления сверхпроводимости. Теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) объяснила, что взаимодействие с атомами металла связывает электроны в пары с энергией меньшей, чем энергия пары свободных электронов. Система переходит в состояние с газом таких пар («конденсатом»). Спектр электронных возбуждений изменяется: в нем появляется разрыв («щель»), который аналогичен массе возбуждения, т.е. его энергии при нулевом импульсе.

Намбу понял, что подобный механизм, перенесенный в релятивизм, мог бы дать объяснение происхождению масс частиц. Он начал с очень простой модели системы безмассовых взаимодействующих частиц. Пока связь слабая, не возникает массивных возбуждений. Рост силы взаимодействия порождает «щель», массу возбуждений частиц, и новое основное (самое нижнее по энергии) состояние - «вакуум» системы. В нем присутствует конденсат пар первоначально безмассовых частиц.

Таким был первый, очень скромный, но огромный по последствиям, шаг на далеко еще не законченном пути исследования механизма происхождения масс частиц.

Позже переход в новое основное состояние связали с нарушением симметрии системы. Возникли понятия спонтанного нарушения симметрии, безмассовых частиц, обязательно связанных с ним, - «Намбу-Голдстоуновских бозонов», вакуумного конденсата скалярного поля. Возник фундамент для созданной позднее Стандартной модели – признанной теории, объясняющей сегодня все явления, обнаруживаемые современным экспериментом. Й.Намбу принимал в этой работе самое активное участие.

Но, по существу, Нобелевский комитет признал Й.Намбу достойным Нобелевской награды уже за одну пионерскую работу 1960 года.

И.Т. Дятлов