Spontánní narušení symetrie

Spontánní narušení symetrie je fyzikální jev, spadající do oblasti částicové fyziky, teoreticky popsaný americkým vědcem japonského původu Jóichirem Nambu, který za ni dostal Nobelovu cenu za fyziku v roce 2008.
K spontánnímu narušení symetrie dochází, když se určitá symetrie zachovává v nějakém energetickém stavu. Při přechodu do nižšího stavu, což je například vakuum, se tato symetrie narušuje.

Obdobný zjednodušený příklad narušení symetrie může být rotující setrvačník s pevnou osou (pohyb rotující tužky na špičce, jehla na povrchu stolu na špičce).
Podle klasické teorie má spadnout tím později, čím více je na začátku postaven svisle. Při přesné symetrii (jehla přesně na špičce) by neměla spadnout vůbec, protože nelze vybrat žádný preferovaný směr. Přesto dojde k narušení symetrie a jehla v konečném čase dopadne na povrch stolu, tím se dostane do mnohem stabilnějšího stavu o minimální energii.

Historie objevu teorie

V padesátých letech 20. století fyzici a další vědci, došli k fyzikálním zákonům elementárních částic, které nebyly shodné s fyzikálními zákonitostmi, se kterými se běžně setkáváme. Chování některých elementárních částic porušovaly P-symetrii, zákony zachování a zákon zachování parity.

Spontánní narušení symetrie kolem let 1960 matematicky popsal Jóičiró Nambu, když studoval supravodivost. Jako první si všiml, že v rovnicích popisujících chování částic hmoty není úplná symetrie.

Narušení bylo pozorováno v rozpadu radioaktivních jader (neutrálních mezonů) kobaltu 60. Vzniklé elektrony vyletovaly s různou pravděpodobností v závislosti na směru, který má vyletující elektron oproti orientaci magnetického momentu jádra. Později byly objeveny další fyzikální jevy u elementárních částic, kde se narušení klasické symetrie projevovalo.

Dříve byla fyzikální teorie, že narušování symetrie by mohlo být kompenzováno rozdíly v opačném směru při záměně částic za antičástice, jednodušeji fyzikální procesy v antisvětě budou probíhat stejně jako v našem prostoru. Symetrie, při které se průběh fyzikálních zákonitostí zachovává za změny částice na antičástice a antičástic na částice, se označuje za C-symetrii. Ve většině pokusů, kde se narušení těchto klasické symetrie zjistilo, tato nová teorie (kombinovaná CP-symetrie) platila.

Narušení symetrie v již zmíněném experimentu s rozpadem radioaktivních jader kobaltu z roku 1964 vysvětlili Makoto Kobajaši a Tošihide Maskawa v roce 1972. Jejich řešení, matice, kterou vytvořili a která míchání kvarků popisuje, potřebovala více kvarků než byly tři v té době známé. To zapříčinilo budoucí objev čtvrtého kvark c a hlavně pátého kvark b. Poslední z nich top kvark byl objeven až v roce 1995.

Když v roce 2001 nezávislé experimenty na urychlovačích přinesly výsledky, které Kobajaši s Masukawou předpověděli, cesta k Nobelově ceně se pro ně otevřela.

Tyto objevy jsou dnes integrální součástí standardního modelu, který popisuje vztahy mezi jednotlivými elementárními částicemi a silami.

Závěry z teorie spontánního narušení symetrie

Klasická fyzikální teorie obvykle předpokládala, že vesmír na svém počátku musel být symetrický, vzniklo tedy stejné množství hmoty i antihmoty. Což by znamenalo, že hmota a antihmota by se zcela anihilovala, ale každá desetimiliardtina hmoty přečkala počáteční anihilaci s antihmotou během velkého třesku, právě díky spontánnímu narušení symetrie se náš vesmír "nevypařil".

Teorie vysvětluje nejen to, proč tu je dnes vesmír, ale celou řadu dalších jevů ve fyzice, chemii a biologii. Do značné míry objasňuje podobu světa, který nás obklopuje.

Vysvětluje vznik hmotnosti některých částic. Ve Standardním modelu je pak využit v podobě Higgsova mechanismu, který zavádí Higgsův boson, jehož nalezení je jeden z úkolů největšího urychlovače světa Large Hadron Collider v CERNu.