2008. aasta Nobeli preemia füüsikas anti jälle elementaarosakeste füüsika teoreetikutele. Seekord kolmele jaapanlasele.
Pool preemiast sai Jaapanis sündinud, kuid USA-sse siirdunud ja seal kodakondsuse saanud Yoichiro Nambu. Ülejäänud pool jagati võrdselt oma sünnimaal töötavate Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa vahel. Lähiminevikus on elementaarosakeste teoreetikutest Nobeli preemia saanud veel David Gross, David Politzer ja Frank Wilczek (2004) ning Gerardus t' Hooft ja Martinus Veltman (1999).
Hilinenud pärgamine
Kõik kolm preemiat määrati uurijatele olulise panuse eest elementaarosakeste füüsika teoreetilise mudeli - Standardmudeli - loomisse. Et Standardmudel sai oma praeguseni säilinud näo juba läinud sajandi 70. algaastatel, peab järjekordselt tõdema, et Nobeli füüsikapreemia antakse reeglina aastakümnete taguste tegemiste eest. Üks põhjus on kahtlemata asjaolu, et tehtu tähtsust ei suudeta selle lähitulevikus õigesti hinnata, panus selgub alles aastate möödudes. Meenub kuskilt loetu, kuidas keegi professor näitas, vist oma juhendatavale, äsja ajakirjas Physical Review Letters ilmunud Šoti teadlase Peter Higgsi artiklit: vaadaku, et kirjutatakse ka nii mõttetuid, mitte kusagil edaspidi vajalikke töid. Vähem kui kümne aasta pärast sai selles töös käsitletud osakestele masse tekitav, nüüd juba Higgsi nime kandev mehhanism üheks Standardmudeli nurgakiviks. Higgsi pole selle eest seni küll veel Nobeli loorberitega pärjatud, aga see võib lähitulevikus sündida. Juhul, kui tänini palju tagasilööke saanud kahte prootoni kimpu põrgatav kiirendi - Suur Hadronite Põrguti - Euroopa elementaarosakeste uurimise keskuses CERN-is korralikult tööle saadakse ja sealsetes katsetes Higgsi mehhanismi üks asjaosaline - Higgsi boson - avastatakse.
Muidugi leidub ka erandeid, kus teadlasele "tulemustasu" kohe pihku pistetakse. 1950. aastate keskpaiku said Ühendriikide teooriafüüsikud Tsung Dao Lee ja Cheng Ning Yang juba ilmumisele järgneval aastal Nobeli preemia töö eest, mis viis peegelsümmeetria rikkumise avastamisele nõrga jõu protsessides. Hiinlastest teadlased paistsid oma niigi nappidest aastatest veelgi noorematena. Kui ajakirjanik läks neist ühte Nobeli preemia saamise puhul koju intervjueerima ja värske laureaat ukse avas, küsis ajakirjanik, kas isa on kodus - uksel seisev poisiohtu noormees ei saanud ju olla Nobeli preemia laureaat. Aga see kiirmeetod osakestefüüsikute, vähemalt teoreetikute pärgamisel on jäänud ka viimaseks. Hiljem pole Nobeli preemiate määrajad väärilisi töid lähiminevikust leidnud ning paratamatult on neid otsitud kaugemast või isegi ülikaugest möödanikust. Praegugi seisame fakti ees, et kõik 2008. aasta füüsikapreemia saajad on emeriitprofessorid. Poleks ime, kui mõni ajakirjanik oleks talle ukse avanud peagi 88aastast Yoichiro Nambut nähes küsinud: "Kas poeg on kodus?" Aga see pole vanahärra süü, et tema väärt töid ja nendele antud tunnustust lahutab poolesajandiline ajakuristik.
Isetahtlik iluvähendamine
Nüüd veidi täpsemalt ainevallast, mida tänavused laureaadid on uurinud, millesse oma panuse andnud ja mille eest Nobeli preemia saanud. Nambu puhul on see seotud sümmeetria spontaanse rikkumisega. Alustame kaugemalt.
1970. aastatel lõid USA füüsikud Sheldon Glashow ja Steven Weinberg ning pakistanlane Abdus Salam oma töödega vastastikmõjude kalibratsioonimudeli. Vastavalt mudelile tuletatakse kolme alusosakeste vahel valitseva - nõrga, elektromagnetilise ja tugeva - jõu avaldised, millest ilmnevad ka jõude "transportivad" vaheosakesed, lähtudes teooria invariantsusnõudest "pöörete" suhtes abstraktses matemaatilises laenguruumis. Oluline on asjaolu, et ülaltoodud kalibratsioonisümmeetria nõuab massituid jõudude vahendajaid. Elektromagnetilise ja tugeva jõu korral ongi jõudude vahendajad, vastavalt g-kvant ja 8 gluuonit, massitud, kuid nõrga jõu kandjad, W±- ja Z-boson, peavad olema massiivsed. Muidu on võimatu põhjendada jõu lühikest mõjuraadiust. Kui nüüd paneme neile massid teooriasse lihtsalt "käega", rikume sedasama sümmeetriat, millest teooria tuletati. Ja saame karistuse: väevõimuga muserdatud teooria ei ole enam renormeeritav.
Mis on renormeerimine ja miks peavad teooriad olema renormeeritavad? Osakestefüüsika aluseks on kahele 20. sajandi suurteooriale - kvantmehhaanikale ja erirelatiivsusteooriale - toetuv kvantväljateooria. Paistab aga, et kvantväljateooriasse surutuna ei saa nimetatud kaks suurteooriat teineteisega hästi läbi. Nende lahkhelid viivad protsesside kirjeldamisel mõttetutele lõpmatutele suurustele. Selge, et katselist kontrolli lubav teooria peab lõpmatustest lahti saama või vähemalt kõrvaldama nende mõju katsetulemustele. Juba 70 aastat tagasi näidati, et elektromagnetilist jõudu kirjeldavas kvantelektrodünaamikas saab seda teha. Siin kogunevad suurteooriate "tüli" tõttu tekitatud lõpmatused massi ja elektrilaengu formaalsetesse avaldistesse. Kui nende avaldistega seada vastavusse katsest leitud lõplikud väärtused, on lõpmatused ära peidetud või vähemalt teooriast katseni viivalt teelt kõrvaldatud. Tänu sellisele laengu ja massi ümbernormeerimisele teooria töötab.
Aga mitte kõik teooriad ei ole renormeeritavad ja seetõttu ei saa neid katsega usutavaks teha. Siia kuulub ka"vägisi" sisestatud massidega kalibratsioonimudel. Ent teadlased olid optimistlikud. Nad arvasid, et kui kalibratsiooniteooriat ei rikuta ülalmainitud moel otseselt, vaid iseeneslikult ehk spontaanselt, võib teooria olla renormeeritav. Lootused õigustasid ennast: hollandlase t' Hoofti arvutused tõestasid, et kalibratsioonisümmeetria spontaanse rikkumisega saadud massidega teooriad on renormeeritavad. Need, 1972. aastal avaldatud arvutustulemused tegidki t' Hoofti 1999. aastal üheks Nobeli preemia laureaadiks. Renormeeritava kalibratsiooniteooria loomine määras Standardmudeli olemuse. See viis osakestefüüsikat hoopis enam edasi kui Bob Beamoni imehüpe Mexico olümpiamängudel kaugushüppe maailmarekordit. Aga selle teooria loomine oli järellugu. Eellugu algas Nambu töödega.
Nüüd enam ei pääse ning peame rääkima sümmeetria spontaansest rikkumisest ja Nambu osast selle peidetud saladuste paljastamisel ja ärakasutamisel.
Sümmeetria spontaansest rikkumisest igapäevaelus on aimekirjanduses toodud palju huvitavaid näiteid. Nambu uuringutele lähemale jõudmiseks vaatame sümmeetria spontaanset rikkumist siiski füüsikalistes süsteemides - tahkistes - nagu ferromagneetikud ja ülijuhid. Ferromagneetikutes korreleeruvad naaberaatomite spinnid, tänu millele on süsteemi energia väiksem, kui spinnid on paralleelsed. Kõrgetel temperatuuridel segab spinnide tegutsemist soojusliikumine ja spinnide suunad on ruumis ühtlaselt jaotunud. Temperatuuri langedes hakkab spinnide vastastikmõju prevaleerima. Süsteemi energia pürgib madalaimale väärtusele ja selle saabudes on spinnid reastatud ühte suunda. Et iga spinniga osake on väike magnet, omandab ferromagneetik makroskoopilise magnetmomendi. Mis suunas spinnid reastuvad, seda aine ei tea. Algne sümmeetria - invariantsus suvaliste ruumipöörete suhtes on rikutud. See on tegelikult peidetud. Leiame selle üles, kui jahutame ferromagneetikut väga palju kordi. Siis näeme, et tekkinud makromagnetmomentide suunad on ruumis ühtlaselt jaotunud.
Ülijuhis rikutakse juba jutuks olnud abstraktse laenguruumi, siin konkreetsemalt elektrilaengu ruumi, sümmeetriat. Elektrivoolu juhivad keskkonnad, kus on suhteliselt vabu elektrone. Ülijuhtides, allpool kriitilist temperatuuri, moodustavad need elektronid bosonitena käituvaid nn Cooperi paare, mida võib ühes olekus olla kui tahes palju. Süsteem läheb paaride tekkimisega madalaimasse energiaolekusse ega tunne liikumisel enam takistust. Keskkond on ülijuht. Analüüs näitab, et ülijuhtivas keskkonnas saavad mõned osakesed efektiivse massi, millist neil vabas olekus pole.
Nambu uuris mitu aastat sümmeetria spontaanset rikkumist tahkistes, eriti just ülijuhis. Ta jõudis järeldusele, et sarnane nähtus võib esineda ka elementaarosakeste teoorias. Teatud väljad võivad sümmeetria spontaanse rikkumisega minna nullist erineva väärtusega vaakumolekusse ja taolises vaakumväljas liikudes võivad nullmassiga osakesed omandada massi. Nambu ise ütleb, et ta muutis sümmeetria spontaanse rikkumise üldiseks printsiibiks.
Hiljem näitas Peter Higgs, kuidas sümmeetria spontaanse rikkumisega tekitatud Higgsi vaakumväljas omandavad nullmassiga nõrga jõu kandjad massi, mis lahendaski ülalpool kõne all olnud olulise renormeeritavuse probleemi.
Segatud peresuhted
Kobayashi ja Maskawa teeneks on uue kvargipaari ennustamine. Soodne pinnas niisuguseks ennustamiseks valmistati ette juba mõnda aega enne nende meeste uurimusi. Siis, kui loomulik arvamus, et kõikide nõrga jõu mõjul tekkivate protsesside intensiivsuse määrab üks ja seesama nõrga jõu konstant, sai katselise tagasilöögi. Katse näitas, et hadronite (neutronite ja prootonite) vahelised protsessid toimuvad pisut väiksema intensiivsusega kui leptonprotsessid. Sellest võis järeldada kahe nõrga jõu olemasolu. Itaallane Nicola Cabibbo näitas, et kui tuua teooriasse üks nurk (nüüd Cabibbo nurk!), saab siiski läbi vaid ühe nõrga jõu konstandiga. Cabibbo põhjendas oma nurgateooriat veel enne hadronite kvarkmudeli loomist. Nüüd on seda lihtsam teha.
Standardmudelis jaotuvad aine algosakesed perekondade vahel (tabeli trükinumbris). Cabibbo teooriast tulenevalt pole tegelikult kvarkide korral perekondades mitte sinna märgitud kvarkide puhtad olekud, vaid kvantmehhaanilised segud, kus küll teise nimega kvargi osakaal on üpris väike. Nii võib esimesse peresse d-kvargile külla minnes selle väga tihti sealt leida, kuid mitte alati. Kuigi haruharva, aga siiski, istub d-kvargi "kodus" s-kvark. Teaduskeelde panduna selgitab näide, miks u-kvark, kiirates W--vahebosoni, ei muutu alati d-kvargiks, vaid vahel ka s-kvargiks. Nende erinevate kanalite tõenäosusi saabki anda Cabibbo nurga kaudu. Leptonitel on peredes vaid puhtad olekud, mistõttu elektron, kiirates W--vahebosoni, muutub alati elektron-neutriinoks. Et elektron-neutriino asub erinevalt d-kvargist alati "omal kohal", ongi leptonprotsessi intensiivsus veidi suurem kui u-kvargi muutumisprotsessil d-kvargiks. Niimoodi seletub nõrga jõu erinevate intensiivsuste mõistatus. Kahe perekonna korral võib kõik võimalikud kvarkide kvantmehhaanilised segud anda Cabibbo nurgast sõltuva kahe rea ja -veerulise maatriksi abil.
Kobayashi ja Maskawa uurisid nõrga jõu protsesside käitumist kombineeritud teisenduse suhtes, kus ruumipeegeldusele lisandub kõigi protsessiosakeste asendamine vastavate antiosakestega (CP-teisendus). Nad näitasid, et katses avastatud CP-rikkumist saab teoreetiliselt põhjendada vaid seni teadaolevatele kahe perekonna kvarkidele veel seniteadmata, kolmanda perekonna kvarkide lisamisega. Kolme pere juhul asendub Cabibbo kvarkide segunemist kirjeldav kahe rea ja -veeruline maatriks kolmest segunemise nurgast ja ühest komplekssest faasist sõltuva kolme rea ja -veerulise Cabibbo-Kobayashi-Maskawa maatriksiga. Selle abil saabki katse teooriaga kokku viia.
Ennustatud kvargid avastataksegi, teine neist, t-kvark, 20 aastat hiljem. Selle leidmisega jäi Standardmudeli osakeste "loomaaiast" puudu vaid Higgsi boson. Teadlased loodavad, et Suur Hadronite Põrguti ka selle kinni püüab.
Siinkohal on meeldiv öelda, et püüdmisel on abiks ka Eestimaa uurijad. Põrguti detektoritelt saadav infotulv on sedavõrd raskesti hoomatav, et sellest oodatavate protsesside ja osakeste välja "õngitsemiseks" on loodud üksteisega seotud ülemaailmne arvutiklastrite võrk. Üks klastritest asub Tallinnas Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis ning sellel selekteerib saabuvat infot osakestefüüsika töörühm Martti Raidali juhendamisel.
Tänavuse Nobeli füüsikapreemia laureaatide koosseis on teadlasteringkondades põhjustanud vastakaid arvamusi. Nördinud on itaallased: miks ei saanud preemiat nurgaidee isa Nicola Cabibbo, vaid ainult tema avastuse edasiarendajad. Seda enam, et kuigi läinud aasta füüsikapreemia läks eksperimentaatoritele, arvati preemia väljakuulutamise eel, et selle võiks saada teoreetikud. Eelkõige Cabibbo, aga lisaks võiksid seda jagada veel Kobayashi ja Maskawa. Veelgi enam, nimetatud kolmikus nüüd Cabibbot "asendanud" Nambu preemiat väärivatest artiklitest on oluline osa kirjutatud kahasse itaalia teadlase Giovanni Jona-Lasinioga, kellele samuti loorbereid ei ulatatud. Tõesti, teadlaste nördimus on põhjendatud. Võib arvata, et ka Cabibbo ise on sügavalt kibestunud, kuigi ta pole ühtki kommentaari andnud. Kuid mis parata, Rootsi Kuningliku Akadeemia otsus oli seekord niisugune.
ILMAR OTS (1937) on lõpetanud teooriafüüsikuna Tartu Ülikooli. Füüsika-matemaatikakandidaat. 1962. aastast töötanud TÜ Füüsika Instituudis teaduri, vanemteaduri ja laborijuhatajana, praegu erakorraline vanemteadur. Elementaarosakeste füüsik, põhiuurimused käsitlevad elementaarosakeste spinnidega seotud küsimusi: kõrgemate spinnidega osakeste teooria, osakeste spinnide orientatsiooniga seotud efektid elektronõrga vastastikmõju protsessides ja nende kasutamine praegu kehtiva elementaarosakeste teooria - Standardmudeli - testimisel ja võimaliku uue, Standardmudeli-välise füüsika ilmingute tuvastamisel.
HANNES LIIVAT (1970) on lõpetanud teooriafüüsikuna Tartu Ülikooli. 2007. aastast teadur TÜ Füüsika Instituudis. Teadusmagister. Uurimistöö on seotud elementaarosakeste füüsikaga: spinnefektid elektronõrga vastastikmõju protsessides ja Standardmudeli-välise füüsika otsingud.
