symmetri - elementærpartikkelfysikk

Symmetri er et begrep som spiller en svært stor rolle i fysikk generelt og spesielt i elementærpartikkelfysikk. Om en for eksempel studerer en prosess og den speilvendte prosessen, og finner at disse er like sannsynlige, så sier en at prosessen er speilsymmetrisk. Om en kan filme en prosess og kjører filmen baklengs, og finner at den baklengse prosessen er like sannsynlig, så sier en at prosessen er tidsreversjonssymmetrisk. Og om en bytter ut alle partiklene i en prosess med de tilsvarende antipartiklene, og denne prosessen er like sannsynlig, så sier vi at prosessene er ladningssymmetriske.

Disse tre symmetriene er eksemple på diskrete symmetrier. Det finnes også flere eksempel på kontinuerlige symmetrier. I slike tilfeller kan en for eksempel ha rotasjonssymmetri, der en har symmetri når en rotasjonsvinkel varierer kontinuerlig. Et linjestykke som roteres, endrer retning, men lengda på linjestykket er det samme. Dette er rotasjonssymmetri.

En kan også ha symmetri ved rotasjoner i mer abstrakte rom. Grunnlaget for slike symmetribetraktninger finnes i gruppeteori, som for en stor del bygger på arbeider av den norske matematikeren Sophus Lie.

Diskrete symmetrier

De viktige diskrete symmetriene er speilingssymmetri (også kalt paritetssymmetri, med symbol P), tidsreversjonssymmetri (med symbol T), og ladningskonjugasjon (med symbol C, etter engelsk charge). Ved speiling (P) snus (reverseres) posisjon og fart for alle partiklene i systemet. For tidsreversjon (T) snus tida (t --> −t) i de dynamiske likningene. Klassisk fysikk er invariant under P- og T-transformasjoner. I ladningskonjugasjon (C) innafor partikkelfysikk snus fortegnet på elektrisk ladning, og på alle andre ladningstyper (som feks leptontall, baryontall, fargeladning). Elektromagnetisk og sterk vekselvirkning er invariante under både P-, T- og C-transformasjoner.

Abstrakte rotasjoner

Kontinuerlige transformasjoner spiller også en stor rolle. Symmetri under Kontinuerlige transformasjoner har sammenheng med ulike bevarte ladninger (noen ganger kalt kvantetall). Det vanligste eksempelet på en kontinuerlig transformasjon er en rotasjon i et vanlig tredimensjonalt rom. Symmetrien er her kontinuerlig fordi rotasjonsvinkelen kan varieres kontinuerlig. Den tilsvarende bevarte størrelsen er banespinn (driv-moment, se også spinn)).

Innen fysikken studeres også rotasjoner i mer abstrakte rom. En kan samle partikler i grupper på for eksempel 2 eller 3. De tre partiklene kan da matematisk sammenliknes med de tre komponentene (x, y, og z-komponentene) av et linjestykke (matematisk : vektor)

Eksempel 1: I partikkel- og kjernefysikk kan en betrakte protonet og nøytronet som to ulike tilstander av en partikkel, kalt nukleonet. Og sterk vekselvirkning er invariant under en «rotasjon i (p,n)-rommet». Konsekvensen er bevaring av nukleontall i sterk vekselvirkning.

Eksempel 2: I svak vekselvirkning kan en betrakte (elektro-)nøytrinoet og elektronet som to tilstander av ett lepton. Svak vekselvirkning er invariant under en «rotasjon i (\\nu_e\,e)-rommet». Konsekvensen av dette er at leptontallet bevares i svak vekselvirkning.

I begge tilfeller (eksempel 1 og 2) er derimot symmetrien brutt i elektromagnetisk vekselvirkning, fordi partiklene har ulik elektrisk ladning.

Eksempel 3: I sterk vekselvikning mellom kvarker og gluoner kan alle kvarkene ha tre ulike tilstander, «rød», «gul» og «blå». (se fargeladning). Sterk vekselvirkning er invariant under rotasjoner i dette tredimensjonale rommet. Samtidig transformeres de åtte gluonene over i hverandre. Denne symmetrien er ikke brutt. Det er helt likegyldig hva vi kaller for rød, gul og blå kvark. Det viktige er at det finns tre ulike kvark-farger, og åtte ulike gluonfarger.

Betydning

Slike symmetrier viser seg nyttige fordi de dikterer hva slags prosesser som er mulige. Så må en gjøre eksperimenter for å finne ut om disse symmetriene er realisert.

Ved låge energier, tilsvarende for eksempel hvile-energien til et nukleon eller enda mindre, er symmetrien i elektro-svak vekselvirkning ikke synlig. Elektromagnetisk og svak vekselvirkning ser svært ulike ut. I dag veit vi at dette kommer av at kraftformidligspartiklene i elektromagnetisk vekselvirkning og svak vekselvirkning har svært ulik masse. Kraftformidlingspartikkelen for elektromagnetisk velselvirkning, som er fotonet, har null masse, mens kraftformidlinggspartiklene for svak vekselvirkning, som er W-og Z-bosonene, er svært tunge, omtrent 90–100 nukleonmasser. Ved store energier, som hvile-energiene til W- og Z-bosonene, eller enda større, blir symmetrien i elektrosvak vekselvirkning synlig.

En har også mistanke om at elektrosvak vekselvirkning og sterk (farge-) vekselvirkning kan bygges sammen til en forent teori, dvs det vil si en felles symmetri. Denne teorien kalles GUT, fra engelsk grand unified theory. Konsekvensen av dette ville være at protonet skulle være ustabilt. Men denne hypotesen er foreløpig (2019) ikke bevist.

En har sterke forhåpninger om også å innordne gravitasjonskrefter i en enhetlig symmetribeskrivelse av naturen.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg