Jéki László | Fizikai és kémiai Nobel-díjasok

Népszerű tudomány

Fizikai és kémiai Nobel-díjasok

Idén a fizikai Nobel-díjat fele részben Yoichiro Nambu (87) japán származású amerikai kutatónak, a Chicagói Egyetem emeritus professzorának ítélték oda, a másik fél részt megosztva kapta Makoto Kobayashi (64), a japán Tsukuba nagyenergiás gyorsító kutatóközpont emeritus professzora és Toshihide Maskawa (68), a Kyotói Egyetem emeritus professzora. Az indokolás szerint Nambu „a szubatomi fizikában fellépő spontán szimmetriasértés mechanizmusának felfedezéséért”, Kobayashi és Maskawa pedig azon szimmetriasértés eredetének felfedezéséért kapta a díjat, amely megjósolja, hogy legalább három kvark család létezik a természetben.

Az ókori görögök óta egészen a múlt századig úgy vélték a laikusok és szakemberek egyaránt, hogy a természetben szép szimmetrikus rend van. A hétköznapi életben is gyakran használt szimmetriafogalom különleges helyet foglal el a fizikában. Wigner Jenő ismerte fel, hogy a szimmetriaelvek éppúgy meghatározzák a természettörvények formáját, ahogy a törvények az egyes események közti összefüggéseket. A fizikusok sokáig úgy vélték, hogy a fizika törvényei töltésszimmetrikusak, vagyis egy antianyag-atom ugyanúgy viselkedik, mint megszokott atomjaink. Szimmetrikus világképünkön több mint negyven éve született az első repedés. Hatalmas megdöbbenést váltott ki a fizikusok körében, hogy a kvantumfizika által leírt radioaktív bomlásokban, a gyenge kölcsönhatásban sérül a térbeli szimmetria. Kiderült, hogy a gyenge kölcsönhatásban a részecskék képletesen szólva jobbkezesek vagy balkezesek. Ha képzeletben tükörben néznénk őket, akkor a béta-bomlásban a tükörben a jobbkezes részecske balkezessé válik, megváltozik a kép, sérül a szimmetria. Ezt a térbeli tükrözést hívják paritásnak, amit P-vel jelölnek. Hamarosan kiderült, hogy a töltésszimmetria is sérülhet, ha a gyenge kölcsönhatásban részecske alakul át antirészecskévé, vagy fordítva. A töltésszimmetria sérülése, a C-sértés (C = charge, töltés) felfedezése után megállapították, hogy a külön-külön végbemenő P- és C-sértés kompenzálja egymást, így az egyesített CP-szimmetria nem sérül. A CP-„tükörben” a balkezes részecskéből jobbkezes antirészecske lesz. Ez a megnyugtató helyzet csak néhány évig állt fenn, mivel 1964-ben olyan részecskefizikai folyamatot fedeztek fel, amelyben nem érvényesült a CP-szimmetria, azaz CP-sértésre bukkantak. A CP-sértést vizsgáló részecskefizikai kísérletek főszereplői a K-mezonok, más néven kaonok voltak, ezek két kvarkból felépülő semleges mezonok. (A két kvarkból álló részecskék közös neve mezon.) A kaonok nem stabilak, elbomlanak, bomlásuk többféle módon, más-más végeredményre vezetve mehet végbe. A különböző bomlásformák összehasonlító elemzésével mutatták ki a CP-sértést. (Mai tudásunk szerint a CP-szimmetria esetenként sérül, viszont a CPT hármas szimmetria kivétel nélkül, mindig érvényesül, ahol a T (time) a harmadik tükrözés, az időtükrözés. A CPT-szimmetria érvényesülése azt jelenti, hogy az anyagot antianyagra cserélve, a világegyetemet tükörben nézve és az idő irányát megfordítva a kísérletek ugyanahhoz az eredményhez vezetnek, mint valódi világunkban.)

A most Nobel-díjjal kitüntetett Makoto Kobayashi és Toshihide Maskawa 1972-ben dolgozta ki elméletét. A részecskék világának átfogó elmélete, a Standard Modell keretében magyarázatot adtak a szimmetriasértésére, de ehhez merész feltételezéssel kellett élniük. Modelljük csak akkor működött, ha három kvarkcsalád létezését tételezték fel, pedig akkor még csak egyetlen család volt ismert. A kutatók által megjósolt két kvarkcsalád tagjait a következő években rendre megtalálták a kísérleti fizikusok, fényesen igazolva a japán kutatók elméletét. Később a B-mezonoknál megfigyelt szimmetriasértés is igazolta Kobayashi és Maskawa számításait. A kaonok után tehát még egy részecskénél kimutatták a szimmetriasértő folyamatok fellépését. A CERN jövőre üzembe lépő óriásgyorsítójánál, az LHC-nál is végeznek majd B-mezonos kísérleteket a szimmetriasértés részleteinek tanulmányozására.

Az ősrobbanás után egyenlő mennyiségben keletkezett anyag és antianyag, ma az általunk ismert világegyetem viszont csak anyagból áll. Az ősrobbanás után az egyenlő mennyiségű kétféle anyag nem semmisítette meg egymást, nem sugárzott szét, ez pedig a szimmetria sérülésének köszönhető. A folyamat pontos részletei ma még nem ismeretesek, éppen ezért képezik intenzív kutatások tárgyát a szimmetriasértő folyamatok.

Yoichiro Nambu az elemi részecskefizikában megfigyelt spontán szimmetriasértés matematikai leírását dolgozta ki. 1960-ban publikált elmélete, a Standard Modell, a részecskefizika átfogó elmélete fontos részévé vált. Először a szupravezetés elméleti leírásával foglalkozott, majd az ott felismert spontán szimmetriasértését bevezette a részecskefizikába. Elmélete ma is fontos szerepet játszik azoknak az alacsonyenergiájú részecskefizikai folyamatoknak a számításában, ahol az erős kölcsönhatást leíró kvantumszíndinamika nem működik. Spontán szimmetriasértés az a feltételezett Higgs-tér is, amely a Standard Modell legnagyobb hiányosságát pótolja, a részecskék tömegének eddig hiányzó magyarázatát adja meg. A Higgs-mechanizmus közvetítő részecskéjét azonban mindeddig nem sikerült megtalálni. A Higgs-részecskék keresése a genfi LHC legfontosabb kutatási programjai közé tartozik.

A spontán szimmetriasértés a tudomány sok területén játszik fontos szerepet. Például egy fázisátmenet is gyakran a szimmetria spontán sérülésének a következménye. A jelenség fellép a kondenzált anyagok fizikájában, a kozmológiában, a kémiában és a biológiában is.

A kémiai Nobel-díjat három kutató között osztotta meg a Nobel-díj bizottság: Osamu Shimomura (80) japán (emeritus professzor, Boston University Medical School), Martin Chalfie (61) amerikai professzor (Columbia University, New York) és Roger Y. Tsien (56) amerikai professzor (University of California, San Diego). A díjat a zöld fluoreszkáló fehérje (green fluorescent protein – GFP) felfedezéséért, alkalmazásának kidolgozásáért kapták.

Shimomura 1962-ben figyelte meg és izolálta a fényesen világító zöld fluoreszcens fehérjét az Észak-Amerika nyugati partja mentén élő Aequorea victoria medúzában. A GFP fehérje ultraibolya fény hatására világított. Chalfie mutatta meg, hogy a GFP számos biológiai jelenségnél használható világító genetikai jelzőként. Egyik első kísérletében a Caenorhabditis elegans átlátszó orsógiliszta hat sejtjét jelölte meg GFP-vel. Tsien a GFP világítási mechanizmusának megértéséhez járult hozzá. Megállapította, hogy a váratlan tulajdonság a fehérje különleges szerkezetére vezethető vissza, néhány aminosav-oldallánc igen közel kerül egymáshoz. Ezek ugyan külön-külön nem képesek elnyelni a fényt, de együtt, szorosan egymás közelében úgy viselkednek, mint egy fényelnyelő festékmolekula. Tsien a színválasztékot is bővítette, ma már a zöld mellett más színekkel is megjelölhetik a fehérjéket és a sejteket, így egyidejűleg tanulmányozhatnak több különböző biológiai folyamatot.

A GFP a modern orvos-biológiai tudományok egyik legfontosabb eszközévé vált. Alkalmazása lehetővé tette korábban láthatatlan folyamatok, pl. az agyban az idegsejtek fejlődésének vagy a daganatsejtek terjedésének nyomonkövetését. A jelző fehérje segítségével figyelemmel lehet kísérni a jelzett fehérjék mozgását, helyzetét, kölcsönhatásait. Nyomon követhetik különböző sejtek sorsát: hogyan károsodnak az idegsejtek Alzheimer-kórban vagy hogyan jönnek létre az inzulin termelő sejtek a növekvő embrió hasnyálmirigyében. Egy látványos kísérletben az egér agyában más-más színnel jelölték meg a különböző típusú idegsejteket. Fontos vizsgálati terület a genetikailag módosított állatok vizsgálata, az ultraibolya fényben világító fehérjével felderíthető, hogy az új gének hol fejeződnek ki.

Print Friendly, PDF & Email
Please follow and like us:

Hozzászólások

Nincs hozzászólás ehhez: “Fizikai és kémiai Nobel-díjasok”



Szóljon hozzá!



Archívum

Hirdetés