Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo S5 – vyšlo 20. prosince, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

S5/2004

Nobelovy ceny za fyziku v roce 2004

Lukáš Kupka

Dne 10. prosince 2004 předala Královská švédská akademie věd ve Stockholmu Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2004. Za teoretický objev tzv. asymptotické volnosti kvarků a gluonů v rámci kvantové chromodynamiky (QCD) byli oceněni američtí vědci David Gross (Kavli Institute for Theoretical Physics, University of California Santa Barbara), David Politzer (California Institute of Technology, Pasadena) a Frank Wilczek (MIT – Massachusetts Institute of Technology, Cambridge). Každý z nich obdržel jednu třetinu z finanční odměny, která činí 10 miliónů švédských korun. Své průkopnické práce publikovali v roce 1973 a kvantová chromodynamika se stala, spolu s tehdy již známou teorií elektroslabých interakcí, druhým hlavním pilířem dnešního standardního modelu fyziky elementárních částic.

Standardní model a elektroslabá interakce

Jedním z hlavních cílů teoretických fyziků je vytvoření jednotné teorie všech známých interakcí. Významnou etapou ve vytváření této teorie je tzv. standardní model fyziky elementárních částic. Tento model zahrnuje teorii silné, slabé a elektromagnetické interakce. Silné interakce jsou popsány teorií nazvanou kvantová chromodynamika (QCD), teorii slabé interakce popisuje kvantová flavourdynamika (QFD) a elektromagnetickou interakci kvantová teorie elektromagnetického pole. Standardní model obsahuje dvanáct druhů částic hmoty (6 kvarků a 6 leptonů) a dvanáct částic zprostředkovávajících interakce (8 gluonů, W⁺, W⁻, Z⁰ a foton). Standardní model je jednou z nejlépe otestovaných teorií, která byla dosud všemi pokusy potvrzena. Přesto existují ještě otázky, na které standardní model zcela přesnou odpověď nedává.

Kvantová teorie elektromagnetického pole vychází z kvantové elektrodynamiky (QED), která je založena na Diracově rovnici popisující elektron. Doplněním elektromagnetických polí do Diracovy rovnice byla vytvořena první kvantová teorie pole, která je jednou z nejúspěšnějších teorií ve fyzice a je velmi přesně experimentálně ověřena. Jde také o první případ tzv. kalibrační teorie, ve které jsou patřičná pole do teorie zabudována na základě požadovaných symetrií. V roce 1965 dostali za kvantovou elektrodynamiku Nobelovu cenu Richard Philips Feynman, Julian Schwinger a Sin-Itiro Tomonaga. V dalším období byl komplikovaný aparát kvantové teorie pole zjednodušen do grafických zkratek, které dnes známe pod názvem Feynmanovy diagramy. Podle kvantové teorie pole je elektromagnetické pole kvantováno, základním kvantem je foton, který současně tvoří výměnnou částici zprostředkující elektromagnetickou interakci.

Feynmanův diagram pro beta rozpad (slabá interakce).

V šedesátých letech 20. století se ukázalo, že je možné vytvořit teorii, která by jednotně popisovala elektromagnetickou i slabou interakci. Slabá interakce je odpovědná za různé pomalé rozpady částic například rozpad neutronu nebo mionu a podléhá symetrii mezi elektronem a jeho neutrinem. Vytvořit tuto teorii se podařilo Steven Weinbergovi, Abdus Salamovi a Shaldon Lee Glashowovi, kteří za ni obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1979. Teorie elektroslabé interakce předpověděla, že kromě fotonu existují ještě další tři výměnné částice: intermediální bosony W⁺, W⁻, Z⁰, které odpovídají za slabou interakci. Intermediální bosony W⁺, W⁻, Z⁰ byly objeveny v CERNu v roce 1983. Jejich objevitelé Carlo Rubbia a Simon van der Meer obdrželi za tento objev Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1984. Definitivní podobu teorii popisující elektroslabou interakci dali v sedmdesátých letech 20. století Holanďané Gerardust´Hooft a Martinus J. G. Veltman (Nobelova cena v roce 1999).

Kvantová chromodynamika a asymptotická volnost

V pořadí třetí interakcí popisovanou kvantovou teorií pole je silná interakce. Jde o interakci, která drží pohromadě nukleony v atomovém jádře a současně i kvarky tvořící jednotlivé nukleony. První jednoduchou teorii silné interakce vytvořil Hideki Yukawa v roce 1934. Z dosahu interakce vypočítal hmotnost intermediálních částic a usoudil, že při silné interakci si neutrony a protony v jádře mezi sebou vyměňují mezony. Dnes víme, že jde o podobnou situaci, jako v elektromagnetické interakci, akorát místo nabitých částic máme kvarky a antikvarky s barevným nábojem a místo fotonů máme jako částice zprostředkující interakci gluony.

Proč kvantová chromodynamika? Protože se podle analogie s elektrodynamikou připisuje kvarkům vedle standardního elektrického náboje tzv. barevný náboj, který je odpovědný za silnou interakci částic (chromos = barva). Charakteristika nazvaná „barva“ samozřejmě nemá nic společného s reálnými barvami, vyjma jména. Toto označení se používá proto, že máme tři rozdílné „náboje“, podobně, jako je tomu u primárních barev. Nazýváme je „červená“, „zelená“ a „modrá“. Kvarky se skládají do částic tak, aby výsledek byl bezbarvý. První možností je kombinace kvark-antikvark (například červená – antičervená), což jsou pro nás již známé mezony. Druhou možností je složení tří kvarků různých základních barev, které dohromady dají bílou – jde o baryony. Silná interakce nerozlišuje barvu jednotlivých kvarků, kvarky různé barvy se pro silnou interakci jeví jako jediná částice.

Elektrické pole kolem náboje (nalevo) a gluonové
pole dvojice kvark-antikvark v mezonu (napravo).

Na rozdíl od ostatních interakcí jsou v silné interakci samy intermediální částice nositeli barevného náboje (barvy). To neznáme u elektromagnetické interakce, kde foton jako intermediální částice elektromagnetické interakce sám o sobě nenese elektrický náboj. Důsledkem tohoto faktu je tzv. antistínění barevného náboje. Čím blíže kvarku se nacházíme, tím je jeho barevný náboj menší. Proto kvarky na velmi malých vzdálenostech neinteragují a chovají se jako volné částice. Naopak síla interakce prudce roste se zvětšující se vzdáleností kvarků, což způsobuje "uvěznění" kvarků uvnitř hadronů. Tato vlastnost se nazývá asymptotická volnost kvarků a právě za její matematické vysvětlení byla letos udělena Nobelova cena za fyziku. Vysvětluje, proč se kvarky nevyskytují nikdy o samotě a není je možné pozorovat izolovaně jako například elektrony, a proč se na malých vzdálenostech chovají jako volné částice, přestože jsou poutány obrovskou silou, která jim brání proton nebo neutron opustit.

Největším přínosem prací letošních laureátů Nobelovy ceny je to, že umožnili rozvoj velmi přesných kvantitativních výpočtů ve fyzice silně interagujících částic, které mají velmi vysoké energie. Takové výpočty dávají nejen jasný matematický popis úplného vymizení „barevných sil“ při nulové vzdálenosti, ale také detailní informaci o chování měřitelných fyzikálních veličin v asymptotické oblasti. Jemné efekty kvantové chromodynamiky byly během posledních několika desítek let mnohokrát přesně testovány ve velkých světových komplexech urychlovačů: SLAC (Stanford, USA), CERN (Ženeva, Švýcarsko), DESY (Hamburg, Německo), BNL (Brookhaven, USA) a Fermilab (Chicago, USA).

Stínění elektronu v elektrodynamice (nahoře): v okolí letícího elektronu jsou fotony elektromagnetického pole a stínící virtuální páry elektronů a pozitronů. Antistínění kvarku v kvantové chromodynamice (dole): v okolí letícího kvarku jsou typické gluony a virtuální páry kvarků a antikvarků. Navíc jsou zde ale i gluonové páry zodpovědné za antistínění. Silná interakce probíhá i mezi samotnými gluony, tím se liší od elektromagnetické.

Přehled Nobelových cen za fyziku za přínos k sjednocování interakcí

Rok	Jméno	Jev
1933	P. A. M. Dirac	Předpověď pozitronu, vytvoření kvantové elektrodynamiky.
1949	H. Yukawa	Vytvořil první teorii silné interakce, ve které jako výměnné částice fungovaly mezony.
1965	S. Tomonaga J. Schwinger R. P. Feynman	Kvantová teorie elektromagnetické interakce.
1969	M. Gell-Mann	Klasifikace elementárních částic, návrh kvarkového modelu.
1979	S. Glashow A. Salam S. Weinberg	Teorie elektroslabé interakce.
1984	C. Rubbia S. Meer	Objev intermediálních částic W a Z slabé interakce.
1990	J. Friedman H. Kendall R. Taylor	Experimenty potvrzující kvarkový model hmoty.
1999	G. t´Hooft M. Veltman	Vytvoření neabelovské kalibrační teorie elektroslabé interakce, předpověď Higgsových částic.
2004	D. Gross D. Politzer F. Wilczek	Objev asymptotické volnosti v teorii silné interakce.

Stručné životopisy laureátů

David Jonathan Gross se narodil 19. února 1941 ve Washingtonu. Vystudoval Hebrejskou univerzitu v Jeruzalémě a v roce 1966 získal doktorát na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Poté působil jako profesor na Harvardově univerzitě, odkud přešel na Princetonskou univerzitu, kde pracoval až do roku 1997. V současné době je ředitelem Kavliho institutu teroretické fyziky na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře v USA. V roce 1973 Gross spolu se svým prvním postgraduálním studentem Frankem Wilczekem matematicky popsali tzv. asymptotickou volnost. V roce 1985 objevil David Gross spolu s Jeffem Harveyem, Emilem Martincem a Ryanem Rohmem (čtyřka přezdívaná Princetonské smyčcové kvarteto) heterotickou teorii strun. Z mnoha Grossových ocenění uveďme stipendium MacArthurovy nadace z roku 1987, Diracovu medaili z roku 1988, Oscar Kleinovu medaili, Harveyovu cenu a nejvyšší francouzské vědecké ocenění z roku 2004 (D'Orova medaile). Je také členem mnoha prestižních vědeckých institucí, zejména v USA.

Usmívající se David Gross.

Hugh David Politzer se narodil 31. srpna 1949 v New York City. V roce 1966 vystudoval Střední školu věd v Bronxu, o tři roky později obdržel bakalářský diplom na Univerzitě v Michiganu a v roce 1974 ukončil studium titulem Ph.D. na Harvardově univerzitě, kde jeho vedoucím byl Sidney Coleman. Již v roce 1973 publikoval svoji první vědeckou práci o tzv. asymptotické volnosti. Tento výsledek, který ve stejný rok nezávisle také objevili David J. Gross a jeho student Frank Wilczek na Univerzitě v Princetonu, byl velice důležitý ve vývoji kvantové chromodynamiky a v teorii silných jaderných interakcí. Po promoci na Harvardu se David Politzer přestěhoval na Kalifornský technologický institut (Caltech), kde se stal profesorem teoretické fyziky a působí zde dodnes. Jako zajímavosti uveďme, že již ve svých 24 letech a ve své první vědecké práci udělal nejdůležitější krok k získání Nobelovy ceny za fyziku. V roce 1989 se objevil v malé roli fyzika Roberta Serbera (projekt Manhattan) ve filmu Fat Man and Little Boy, ve kterém také hrál Paul Newman v roli generála Leslieho Grovese. David Politzer doposud neposkytl rozhovor ani prezentaci k udělení Nobelovy ceny, neboť si velmi chrání svůj soukromý a vědecký život.

D. Politzer (uprostřed) ve filmu Fat Man and Little Boy v roli fyzika R. Serbera.

Frank Wilczek se narodil 15. května 1951 v New Yorku. V roce 1970 ukončil studium na Chicagské univerzitě a o čtyři roky později získal titul Ph.D. na Univerzitě v Princetonu. Zde také v letech 1974 až 1981 vyučoval a získal profesorský titul. Poté osm let působil na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře a také krátce na Harvardově univerzitě. V letech 1989 až 2000 byl profesorem v Institutu vyšších studií v Princetonu a od září 2000 pracuje na Massachusettském technologickém institutu (MIT). Nobelovu cenu získal za práci z roku 1973, na které se podílel jako postgraduální student pod vedením Davida Grosse. Frank Wilczek je považován za jednoho z nejvýznamnějších teoretických fyziků současnosti, kromě toho je i významným popularizátorem nejnovějších vědeckých poznatků. Pravidelně přispívá do časopisů Physics Today a Nature. Vystupuje také s přednáškami pro širokou veřejnost i pro odborníky. Z mnoha ocenění, která Frank Wilczek obdržel, uveďme například Diracovu medaili (uděluje Mezinárodní centrum pro teoretickou fyziku), Sakuraiovu cenu, Lorentzovu medaili a také pamětní medaili MFF UK, kterou obdržel před přednáškou v Praze v roce 2003.

Frank Wilczek přebírá Nobelovu cenu.

Odkazy