Ingenting är perfekt

Fysiken har länge sett som sin uppgift att finna de naturlagar som döljer sig innerst inne bakom mångfalden av företeelser vi ser runt om oss. Naturlagarna förväntades vara perfekt symmetriska och absoluta, och gälla allt och överallt i hela universum. Den uppfattningen har visat sig hålla för det mesta, dock inte alltid. Så symmetribrotten blev i lika hög grad fysikens forskningsobjekt som symmetrierna själva – inte så märkligt i vår skeva värld, där perfekt symmetri är ett sällsynt ideal.

I själva verket är vi alla barn av ett symmetribrott. Det måste ha uppstått strax efter big bang för 14 miljarder år sedan, då lika mycket materia och antimateria skapades. Mötet mellan de två var lika ödesdigert för dem båda – de utplånar varandra och bara strålningen blir kvar. Uppenbarligen har dock materien vunnit över antimaterien, annars skulle vi inte finnas här. Men det gör vi, och det tycks ha räckt med bara ett minimalt avsteg från den perfekta symmetrin – en materiepartikel extra på tio miljarder partiklar av antimateria fick vår värld att överleva. Denna lilla överskottsmateria blev fröet till hela vårt universum, som fylldes med galaxer, stjärnor och planeter, och till slut även oss människor. Men vad som ligger bakom naturens sätt att åstadkomma symmetribrottet i världsalltet är fortfarande en stor gåta och ett aktivt forskningsområde.

Ändå hör olika symmetrier och symmetribrott till vår vardag: bokstaven A förändras inte när man ser den i en spegel, medan bokstaven Z bryter denna symmetri. Å andra sidan ser Z likadant ut om man vänder den upp och ner, men prövar man samma konst med A blir det symmetribrott.

I grunden råder perfekt symmetri

I fysikens grundmodell för elementarpartiklarna talas det om tre olika symmetriprinciper: spegel-, laddnings- och tidssymmetrier (på fysikerspråket kallas spegelsymmetrin P – från paritet, laddningssymmetrin C – från charge, och T står för tidssymmetrin).

Enligt spegelsymmetrin ska alla händelser fortlöpa exakt lika oberoende om man ser dem direkt eller i spegeln. Det ska inte vara någon skillnad på höger och vänster, och ingen människa ska kunna avgöra om hon är i den här världen eller i spegelvärlden. Laddningssymmetrin säger att partiklar ska uppföra sig precis som deras alter egon, antipartiklarna, som har exakt samma egenskaper men motsatt elektrisk laddning. Och enligt tidssymmetrin ska fysikaliska förlopp på mikronivån vara likadana oberoende av om de sker framåt eller bakåt i tiden.

Symmetrierna har inte bara ett estetiskt värde i fysiken. De förenklar många snärjiga beräkningar och spelar därför en avgörande roll för den matematiska beskrivningen av mikrovärlden. Än viktigare är att symmetrierna leder till en mängd bevarandelagar på partikelnivå, som att energin i kollisioner mellan elementarpartiklar måste vara lika stor före som efter krocken. Det framgår av symmetrin i ekvationer som beskriver partikelkollisionerna. En annan bevarandelag är den om bevarande av elektrisk laddning som hör ihop med symmetrin inom den elektromagnetiska teorin.

Blev annorlunda i spegeln

Det var kring mitten av 1900-talet som en bruten symmetri först uppenbarade sig vid studier av materiens grundvalar. Då var fysikerna i full gång med att förverkliga sin stora dröm ända sedan antiken – att förena alla naturens minsta byggstenar och alla krafter i en enda sammanhållen teori.

År 1956 utmanade ett par kinesisk-amerikanska teoretiker, Tsung Dao Lee och Chen Ning Yang (som fick Nobelpriset redan året därpå) spegelsymmetrin, alltså symmetrin med avseende på höger och vänster, som i likhet med andra symmetriprinciper sågs som ett väletablerat faktum. Men i kvantvärlden, där elementarpartiklarna vistas, behöver vi omvärdera gamla principer, uppmanade Lee och Yang, och föreslog en rad experiment för att testa spegelsymmetrin.

Mycket riktigt, bara några månader senare kunde kinesiskfödda Chieng Shiung Wu, fakultetskollega med Lee, observera att sönderfallet av atomkärnan hos det radioaktiva grundämnet kobolt-60 inte följde spegelsymmetrins principer. Elektronerna som lämnade koboltkärnan valde en av riktningarna framför en annan.

Snart bekräftade flera experiment symmetribrottet, men i sina Nobelföreläsningar hyllade Lee och Yang särskilt Wu, som aldrig fått priset, för sina avgörande insatser.

Asymmetri avgör vårt öde

Måhända bryts laddnings- och spegelsymmetrierna var för sig, men den kombinerade symmetrin, den så kallade CP-symmetrin, består, tröstade sig fysikersamhället med. Naturlagarna, trodde man, kommer inte att ändra sig om man kliver över till spegelvärlden, där också all materia bytts ut mot antimateria.

Det skulle i sin tur medföra att om man träffar på en utomjording ska det inte finnas något sätt att avgöra om hon kommer från vår värld eller från antivärlden. En välkomstkram kan då få ödesdigra konsekvenser – bara en liten energipuff blir kvar när materia och antimateria förintas i mötet.

Så det kanske bara är tur att den svaga kraften återigen hamnade i strålkastarljuset år 1964. Ett nytt brott mot symmetrilagarna dök upp i det radioaktiva sönderfallet av en säregen partikel, en K-meson (Nobelpris till James Cronin och Val Fitch 1980). En liten bråkdel av K-mesonerna följde inte de samtidiga spegel- och laddningssymmetrierna; de bröt i stället mot den dubbla CP-symmetrin och utmanade därmed fysikens teoribygge.

Inför mötet med utomjordingarna är denna upptäckt en räddning. Det borde räcka att före välkomstkramen be utomjordingen att titta noga på K-mesonens sönderfall hemma hos sig för att kolla om hon är gjord av samma stoff som vi eller av antistoffet.

Frågan om varför symmetrierna bryts förblev en gåta fram till 1972 då två unga forskare vid universitetet i Kyoto, Makoto Kobayashi och Toshihide Maskawa, välbekanta med kvantfysikens räkneapparat, kom på lösningen i form av en 3 5 3-matris.

Hur går det här dubbla symmetribrottet till? Varje K-meson är en förening av två elementarpartiklar: en kvark och en antikvark. Men i kvantvärlden kan de gång på gång byta identitet – kvarken blir en antikvark medan antikvarken blir en kvark, och på så sätt omvandlas K-mesonen till sin anti-K-meson. Så pendlar K-mesonen mellan sitt själv och sitt antisjälv.

Nya kvarkar dök upp

Om rätt villkor uppfylls blir det en liten obalans när materia väljs före antimateria, vilket är ett brott mot symmetrin. Kobayashis och Maskawas beräkningsmatris innehåller sannolikheter för att kvarkarnas förvandlingskonst ska äga rum.

Det visade sig att kvarkarna och antikvarkarna byter identitet med varandra helst inom sin egen familj. För att kunna fullfölja identitetsbytet krävdes dock ytterligare en familj kvarkar utöver de två redan kända. Det var ett djärvt grepp, men de spekulativa nya kvarkarna dök mycket riktigt upp i experimenten: charmkvarken upptäcktes redan 1974, bottenkvarken 1977 och den sista, toppkvarken, så sent som 1995.

Kvarkarna ingår i fysikens standardmodell för materiens uppbyggnad. Modellen omfattar alla de kända elementarpartiklarna och tre av de fyra kända naturkrafterna. Den står stadigt på den moderna fysikens grundvalar och styrs av kvantfysikens och den speciella relativitetsteorins ekvationer. Dessa leder fysiken tillbaka till universums allra första stunder i big bang, då symmetrin i partikelvärlden ännu fanns kvar.

Nambu stakade ut vägen

Men varför är krafterna så olika i dag? Och varför har elementarpartiklarna så olika massor? Den tyngsta, toppkvarken, är över tre hundra tusen gånger tyngre än elektronen. Varför har de någon massa alls?

I dag tror de flesta fysiker att ett annat spontant symmetribrott, av det så kallade Higgsfältet, raserade den ursprungliga symmetrin mellan krafterna och tilldelade partiklarna deras massa i universums allra tidigaste stunder.

Vägen dit stakade Yoichiro Nambu ut. År 1960 var han först med att föra in spontana symmetribrott i elementarpartikelfysiken, vilket han nu får Nobelpris för.

Till att börja med arbetade Nambu med teoretiska beräkningar av ett annat märkligt fenomen inom fysiken – supraledning, då elektrisk ström plötsligt förmår flyta helt utan motstånd. Spontant symmetribrott som förklarade supraledningen översatte Nambu sedan till elementarpartiklarnas värld, och hans matematiska verktyg genomsyrar numera all teori kring standardmodellen. Under de senaste decennierna har Nambus metoder att teoretiskt bearbeta spontana symmetribrott inom standardmodellen förfinats, och de används i dag flitigt inom fysiken.