Fysiikan Nobel-palkinto 2008 kolmelle alkeishiukkastutkijalle

Fysiikan tämänvuotisen Nobel-palkinnon jakaa kolme japanilaissyntyistä alkeishiukkasten tutkijaa. Puolet 10 miljoonan ruotsinkruunun palkinnosta saa nykyisin Yhdysvaltain kansalaisena elävä 87-vuotias Yoichiro Nambu ja toinen puoli jaetaan Japanissa toimivien Makoto Kobayashin ja Toshihide Maskawan kesken.

Kaikki kolme ovat tehneet merkittävää työtä maailmankaikkeuden pienimpien rakenneosasten, alkeishiukkasten symmetrian tutkimuksessa. Alkeishiukkasten symmetrialla on suurempi merkitys kuin pinnalta katsoen luulisi. Jos kaikki olisi täydellisen symmetristä, maailmankaikkeuden alkuräjähdyksessä olisi syntynyt täsmälleen yhtä paljon ainetta ja ainetta, materiaa ja antimateriaa. Koska materiaa oli hieman enemmän, vastakkaiset materiat eivät tuhonneet toisiaan vaan materian ylimäärästä syntyi meidän tuntemamme maailmankaikkeus.

Chicagon yliopiston emeritusprofessori Yoichiro Nambu väitteli fysiikasta Japanissa, Tokion yliopistossa vuonna 1952 mutta siirtyi Yhdysvaltoihin tekemään varsinaisen tieteellisen uransa. Hän muotoili vuonna 1960 matemaattisen kuvauksen alkeishiukkasfysiikan ns. spontaanisti rikkoutuneesta symmetriasta, joka on sittemmin osoittautunut erittäin hedelmälliseksi teoriaksi. Nambun teoriat muodostavat merkittävän osan fysiikan ns. standardimallista, joka hallitsee nykyistä alkeishiukkasten teoriaa.

Standardimalli yhdistää luonnon neljästä perusvoimasta kolme ja ennustaa niihin liittyvät hiukkaset erittäin tarkkaan. Ulkopuolelle jää painovoima, joka on osoittautunut visaiseksi yhdistettäväksi. Kolme perusvoimaa ovat sähköisiä ilmiöitä hallitseva sähkömagneettinen voima, heikko voima ja vahva- eli värivoima. Heikko voima ilmenee atomien tasolla esimerkiksi niiden radioaktiivisessa hajoamisessa ja vahva voima protonien ja neutronien sisällä, kvarkkien välillä.

Nuoremmat japanilaiset, v. 1944 syntynyt Makoto Kobayashi ja vuonna 1940 syntynyt Toshihide Maskawa ovat myös tutkineet alkeishiukkasten maailman spontaanisti rikkoutuneita symmetrioita, mutta hieman eri tavalla kuin Nambu. Kioton yliopistossa työskennelleet fyysikot Kobayashi ja Maskawa julkaisivat vuonna 1972 teorian, jonka ennustamia tuloksia on todennettu sittemmin vuosien ajan. Viimeiseksi löydettiin vuonna 2001 ilmiöitä, jotka olivat täsmälleen lähes 30 vuotta aiemmin ennustetun mukaisia.

Kobayashin ja Maskawan mallin pohja on 3 x 3 -matriisi, joka liittyy aineen pienimpien alkeishiukkasten, kvarkkien ominaisuuksiin. Atomiytimien rakenneosat protonit ja neutronit muodostuvat näistä kvarkeista. Malli osoitti että silloin tunnettujen kahden kvarkkiryhmän lisäksi tarvittiin kolmas. Nuorten tutkijoiden itseluottamus oli korkealla, sillä ennustus oli rohkea. Uudet kvarkit on sittemmin löydetty: ensimmäisenä ns. lumokvarkki (charm) vuonna 1974, bottom-kvarkki vuonna 1977 ja viimeisenä top-kvarkki vuonna 1997.

Kobayashin ja Maskawan malli ennustaa symmetrian rikkoutumista myös raskailla ns. B-mesonihiukkasilla. Ilmiö on kuitenkin hyvin harvinainen, joten sen havaitsemiseen tarvitaan paljon hiukkasia. Sitä etsittiin Yhdysvalloissa Stanfordin yliopiston SLAC-kiihdyttimellä ja Japanissa KEK:n kiihdyttimellä, joilla tuotettiin yli miljoona B-mesonia päivässä. Vuonna 2001 odotettu ilmiö löydettiin molemmissa laboratorioissa riippumattomasti ja teoria varmistettiin tältä osin.

Tämä löytö vahvistaa standardimallin, yhtä palaa lukuun ottamatta. Se on ns. Higgsin hiukkanen. Se tarvitaan jotta hiukkasten massa saadaan teoriassa tyydyttävästi selitetyksi. Se tullaan löytämään käynnistymässä olevalla Euroopan hiukkastutkimuskeskuksen CERNin uudella LHC-kiihdyttimellä, koska teoriat osoittavat sen löytyvän tämän kiihdyttimen saavutettavissa olevalla energia-alueella. Jos sitä ei löydy, hiukkasta ei ole olemassa ja teoriaa joudutaan muokkaamaan. Higgsin hiukkasia saattaa olla myös useita. Tämä selvinnee vuoden tai kahden kuluessa.

(Radion tiedeuutiset, Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia, Nobel-säätiö)