物质世界的对称性破缺_2008年诺贝尔物理学奖简介

物质世界的对称性破缺

2008年诺贝尔物理学奖简介

邢志忠 周顺!

研究员,!博士研究生,中国科学院高能物理研究所,北京100049

关键词自发对称性破缺CP对称性破坏宇宙的物质 反物质不对称

由于对基本粒子物理学中的对称性破缺问题做出了重大理论贡献,美国芝加哥大学恩里科∀费米研究所的美籍日本物理学家南部阳一郎(Yoichir o Nam bu)、日本筑波高能加速器研究中心的小林诚(Ma ko to Kob ayashi)和日本京都大学汤川理论物理研究所的益川敏英(Toshihide M askaw a)被授予2008年度的诺贝尔物理学奖。笔者将简要介绍他们获奖的工作,以及与之相关但尚未解决的宇宙的物质 反物质不对称难题。

对称性是科学研究中的重要指导性原则之一,也是

用来理解自然规律的有力工具。如果自然界中存在很多的对称性,那么我们对它的理解就会容易得多,因为对称性往往都和守恒定律联系在一起。比如说,时间(空间)平移不变性意味着能量(动量)守恒,而空间旋转不变性对应于角动量守恒。然而自然界中的对称性绝大部分都是破缺的。一个典型的例子是李政道和杨振宁在1956年提出的弱相互作用过程中的宇称不守恒[1]。在此之前人们普遍认为物理规律具有坐标反演或镜像反射对称性,即宇称P应该是一个守恒的量子数。吴健雄等实验家在1957年验证了李政道和杨振宁的假说,并发现在弱相互作用中宇称发生最大程度的破缺。考虑到弱相互作用中也不存在电荷共轭变换C的不变性,一些理论家于是猜想C和P的联合变换也许是弱相互作用的守恒量。这一观点在1964年被科洛恁(James W at son Cronin)和费驰(V al Logsdon Fitch)等人证明是错误的,他们在奇异介子的衰变实验中首次观测到了微小的CP破坏效应[2]。

瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会于2008年10月7日宣布,将2008年度的诺贝尔物理学奖授予美籍日本理论物理学家南部阳一郎和日本理论物理学家小林诚与益川敏英。南部获奖的主要工作是发现了亚原子物理学中的对称性自发破缺机制,而小林和益川的主要贡献是发现了弱电规范相互作用中CP对称性破坏的起源并由此预言了自然界中存在三代夸克。他们的工作都与对称性及其破缺有关,有力地推动了基本粒子物理学的发展。1南部与对称性自发破缺

荷兰物理学家卡默林 昂纳斯(Heike Kamerlingh O nnes)在1911年发表了一个惊人的实验结果:当温度降到4.2K时,水银的电阻突然消失了。他将物质的这种特性称为超导电性。德国物理学家迈斯纳(Walther M eissner)和奥克森菲尔德(Robert Ochsenf eld)在1933年发现超导体具有完全抗磁性,即处在外磁场中的超导体其内部磁场强度为零。基于已有的实验证据和已提出的唯象模型,美国物理学家巴丁(John Bardeen)、库珀(L eon Cooper)和施里弗(John R.Schrief f er)在1957年提出了解释超导现象的微观理论(BCS理论)[3,4],他们因此获得了1972年度的诺贝尔物理学奖。简单来讲,超导体内部物理机制的描述可以归结为电子和金属离子之间的电磁相互作用。在费米面附近的电子之间可以存在相互吸引的作用力,这是通过交换声子(即晶格振动的量子)来实现的。当两个电子之间的这种相互吸引力超过库仑排斥力的时候,它们便结合成对,称为库珀对(Cooper pair)。正是库珀对在动量空间的凝聚导致超导态和正常态之间产生有限的能隙。物质的超导状态就是这些库珀对的集体效应的结果。

1959年,南部试图从量子场论的角度来理解BCS 超导理论:超导体内部的电子和金属离子之间是电磁相互作用,后者可以用阿贝尔规范理论来描述,那么BCS 理论是规范不变的吗?我们知道,在超导体中的库珀对是自旋相反的两个电子,总电荷为-2e,因此该系统的基态是破坏规范不变性的。从这个问题出发,南部发现

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自然杂志30卷6期诺贝尔奖简介

从BCS理论推导出超导体的迈斯纳效应依赖于规范的选择,但实际上所有的结论都可以通过规范无关的方式得到[5]。这是理论物理学家利用对称性来理解超导现象所迈出的非常重要的一步。正如著名理论家温伯格(St even Weinberg)所强调的那样,超导现象背后的基本物理是对称性及其破缺,理解超导理论的关键在于对称性的自发破缺:我们只需要假设存在U(1)连续对称性的规范理论自发破缺到Z2子群,就可以推导出迈斯纳效应等超导现象[6]。

在BCS理论建立的同一年,费曼(R.P.Feynman)和盖尔曼(M urray G ell M ann)提出了弱相互作用的V A理论[7]。他们指出,如果强子部分的矢量流守恒,那么在 轻子衰变和费米型 衰变中的弱相互作用耦合常数的一致性就很容易理解。进一步,他们猜想轴矢流可能也是守恒的。随后的理论研究表明,轴矢流守恒导致的结果是很容易从实验上被排除的,比如介子衰变到带电轻子和相应的中微子的过程是禁戒的。1960年2月,南部向美国#物理评论快报∃提交了一篇长度仅一页半的论文,指出轴矢流守恒可在介子质量为零的极限情况下得到[8]。在这篇文章的最后,他写道,%如果重子是由一些基本的费米场!组成,而费米场在变换!& exp(i ∀∀ #∃5)!下是不变的,那么就会出现守恒的轴矢流∋。从这句话我们可以看出,南部猜测重子可能有更深层次的结构,这比盖尔曼和茨威格(George Z weig)正式提出强子的夸克模型早了近四年。南部在文章中还类比了超导的BCS理论,他指出%超导现象中的规范不变性、能隙和集体激发在这里可以替换成∃5变换不变性、重子质量和介子。很有意思的是,赝标介子作为束缚态会自动出现在理论中。∋1960年10月,南部及其意大利合作者约纳∀拉西尼奥(Giovanni Jona Lasinio)对上述问题做了进一步的研究,发现当有质量为零或近似为零的赝标量粒子出现时,就意味着理论中一个精确的或近似的对称性自发破缺了。这一系列工作表明是南部首先将对称性自发破缺机制引入到基本粒子物理学领域[9,10]。

究竟什么是对称性自发破缺呢?考虑一个无穷维的物理体系,如果该系统的拉氏量在某个对称群变换下保持不变,当系统转变到不满足这种对称性的基态时,我们就称之为系统的对称性发生了自发破缺。例如,铁磁体材料在居里温度之上因为没有磁化而具有空间旋转不变性,这时描述铁磁体的原子理论同样具有这种对称性。当温度降到居里温度以下,铁磁体出现某个方向的磁化,于是三维空间的旋转不变性被破坏,即系统的对称性出现了自发破缺。超导体是由电磁相互作用来描述的,这里规范对称群是定域的U(1)群,带电荷q的费米场依照!&exp(iq%)!的形式变换。因为q必然是电子电荷e的整数倍,所以相位%和(%+2/e)可以认为是等价的。当该体系处于超导态时,库珀对电荷数为2,而且其在基态的真空期望值不为零,所以系统此时只有包含对应%=0和%=/e变换的对称群,即Z2循环群。

1961年,英国理论家哥德斯通(Jeff ery Goldstone)发表了一篇题为%具有超导解的场论∋的文章。他指出,在量子场论中当系统的拉氏量的连续对称性自发破缺时,会出现质量为零的玻色子[11]。虽然哥徳斯通只是举例说明了零质量粒子的出现,但他认为这个结论是一般成立的。这个重要的猜想在1962年被哥德斯通、萨拉姆(Abdus Salam)和温伯格严格地证明了[12]。这类伴随着对称性自发破缺的零质量粒子现在通常被称为南部 哥德斯通玻色子。南部和约那∀拉兹尼奥的文章主要讨论了强相互作用和近似手征对称性的自发破缺,其中质量很轻的介子为赝南部 哥德斯通玻色子。值得注意的是,这里的介子与汤川(Hideki Yukawa)理论中的大不相同,后者是传递强相互作用的媒介,而南部和约那∀拉兹尼奥的模型中所讨论的介子是束缚态。

对称性的自发破缺之所以重要,是因为它直接导致了弱电相互作用标准模型的建立。1964年,英国理论家希格斯(Pet er Higgs)等人[13]发现,如果系统具有连续的局域对称性,也就是规范对称性,那么该对称性的自发破缺并不会引入质量为零的南部 哥德斯通玻色子,而是使相应的规范玻色子获得质量。这种规范对称性自发破缺的形式后来被称作希格斯机制。其实基于连续群SU(2)的规范理论早在1954年就由杨振宁和米尔斯(Robert M ills)提出来了[14],但是他们的工作有近十年的时间没有得到广泛的重视,一个重要的原因就是弱相互作用只可能是由有质量的规范玻色子传递的,而简单地在拉氏量中加入规范场的质量项是破坏规范不变性的。希格斯机制正好提供了一种利用对称性自发破缺产生规范玻色子质量的可能性。1967年,温伯格首次完整地建立了用SU(2)L U(1)Y规范理论结合希格斯机制来统一描述弱相互作用和电磁相互作用的模型,现在被称作弱电统一理论的标准模型[15]。为了实现规范对称性的自发破缺,温伯格引进了一个在SU(2)群变换下的标量二重态,含有四个新的自由度。当弱电对称性自发破缺后,规范玻色子吸收掉三个南部 哥德斯通粒子(对应于群的生成元)而获得质量,剩余的自由度对应一个标量粒子,叫做希格斯粒子。弱电统一理论与描述强相互作用的量子色动力学一起被称为基本粒子物理学

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Brief Introduction o f Nobel Pr ize