Мюррей Гелл-Манн: Жизнь и вклад в физику элементарных частиц

Введение

Американский физик-теоретик (1929–2019)

Мюррей Гелл-Манн (англ. Murray Gell-Mann; 15 сентября 1929 – 24 мая 2019) – американский физик-теоретик, сыгравший ведущую роль в развитии теории элементарных частиц. Гелл-Манн ввёл понятие кварков как фундаментальных строительных блоков частиц, участвующих в сильном взаимодействии, и группу перенормировки как основополагающий элемент квантовой теории поля и статистической механики. Он сыграл ключевую роль в разработке концепции хиральности в теории слабых взаимодействий и спонтанного нарушения хиральной симметрии в сильных взаимодействиях, определяющего физику лёгких мезонов. В 1970-х годах он был одним из создателей квантовой хромодинамики (КХД), объясняющей конфайнмент кварков в мезонах и барионах и являющейся важной частью Стандартной модели элементарных частиц и сил. Мюррей Гелл-Манн получил Нобелевскую премию по физике в 1969 году за работы в области теории элементарных частиц.

Научные исследования

В 1958 году Гелл-Манн в сотрудничестве с Ричардом Фейнманом, параллельно с независимой командой Э. С. Джорджа Сударшана и Роберта Маршака, обнаружил хиральные структуры слабого взаимодействия и разработал теорию VА (вектор минус осевой вектор). Эта работа последовала за экспериментальным открытием нарушения чётности Чен Шиунгу Ву, предсказанным теоретически Чен Нином Яном и Цун Дао Ли. Работа Гелл-Манна в 1950-х годах была посвящена недавно открытым частицам космических лучей, которые стали называться каонами и гиперонами. Классификация этих частиц привела его к предположению, что квантовое число, названное странностью, сохраняется при сильном и электромагнитном взаимодействиях, но не при слабом взаимодействии. Другой идеей Гелл-Манна является формула Гелл-Манна — Окубо, которая изначально основывалась на эмпирических результатах, но впоследствии была объяснена его кварковой моделью. Гелл-Манн и Абрахам Пейс участвовали в объяснении загадочного аспекта смешивания нейтральных каонов. Удачная встреча Мюррея Гелл-Манна с математиком Ричардом Эрлом Блоком в Калифорнийском технологическом институте осенью 1960 года «открыла ему глаза» на необходимость в 1961 году представить новую схему классификации адронов. Аналогичная схема была независимо предложена Ювалем Неэманом и впоследствии объяснена кварковой моделью. Гелл-Манн назвал эту схему «восьмикратным путем» из-за октетов частиц в классификации (термин является отсылкой к Восьмеричному пути буддизма). Гелл-Манн вместе с Морисом Леви разработал сигма-модель пионов, описывающую взаимодействия пионов при низких энергиях. В 1964 году Гелл-Манн и независимо от него Джордж Цвайг постулировали существование кварков – частиц, из которых состоят адроны в этой схеме. Название «кварк» было предложено Гелл-Манном и является отсылкой к роману Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» («Три кварка для мистера Марка!» книга 2, эпизод 4). Цвайг называл эти частицы «асами», но название Гелл-Манна закрепилось. Кварки, антикварки и глюоны вскоре стали основными элементарными объектами при изучении структуры адронов. В 1969 году он был удостоен Нобелевской премии по физике за вклад и открытия, касающиеся классификации элементарных частиц и их взаимодействий. В 1960-х годах он ввёл текущую алгебру как метод систематического использования симметрий для получения предсказаний из кварковых моделей в отсутствие надёжной динамической теории. Этот метод привёл к независимым от модели суммарным правилам, подтверждённым экспериментом, и заложил основу для разработки Стандартной модели (СМ) – общепринятой теории элементарных частиц. В 1972 году Гелл-Манн, находясь в отпуске в CERN, вместе с Харальдом Фрицшем, Генрихом Лютвилером и Уильямом А. Бардином рассмотрел теорию Янга — Миллса о «цвете кварков» и ввёл термин квантовая хромодинамика (КХД) как калибровочную теорию сильного взаимодействия. Кварковая модель является частью КХД и оказалась достаточно устойчивой, чтобы естественным образом включить открытие новых «ароматов» кварков, что превзошло схему восьмикратного пути. Гелл-Манн, вместе с Пьером Рамоном и Ричардом Слански, а также независимо от Питера Минковского, Рабиндры Мохапатры, Горана Сеняновича, Шелдона Глэшоу и Цутому Янагиды, предложил теорию колебаний масс нейтрино (seesaw mechanism). Эта теория предсказывает большие массы в любой теории с правым нейтрино. Он также сыграл важную роль в поддержании теории струн в 1970-х и начале 1980-х годов, поддерживая это направление исследований в то время, когда оно представляло нишевый интерес. Гелл-Манн был сторонником подхода последовательной истории к пониманию квантовой механики, который он отстаивал в работах совместно с Джеймсом Хартлом.

In 1958, Gell Mann in collaboration with Richard Feynman, in parallel with the independent team of E. C. George Sudarshan and Robert Marshak, discovered the chiral structures of the weak interaction of physics and developed the V A theory (vector minus axial vector theory). This work followed the experimental discovery of the violation of parity by Chien Shiung Wu, as suggested theoretically by Chen Ning Yang and Tsung Dao Lee. Gell Mann's work in the 1950s involved recently discovered cosmic ray particles that came to be called kaons and hyperons. Classifying these particles led him to propose that a quantum number, called strangeness, would be conserved by the strong and the electromagnetic interactions, but not by the weak interaction. Another of Gell Mann's ideas is the Gell Mann–Okubo formula, which was, initially, a formula based on empirical results, but was later explained by his quark model. Gell Mann and Abraham Pais were involved in explaining this puzzling aspect of the neutral kaon mixing. Murray Gell Mann's fortunate encounter with mathematician Richard Earl Block at Caltech, in the fall of 1960, "enlightened" him to introduce a novel classification scheme, in 1961, for hadrons. A similar scheme had been independently proposed by Yuval Ne'eman, and has come to be explained by the quark model. Gell Mann referred to the scheme as the eightfold way, because of the octets of particles in the classification (the term is a reference to the Eightfold Path of Buddhism). Gell Mann, along with Maurice Lévy, developed the sigma model of pions, which describes low energy pion interactions. In 1964, Gell Mann and, independently, George Zweig went on to postulate the existence of quarks, particles which make up the hadrons of this scheme. The name "quark" was coined by Gell Mann, and is a reference to the novel Finnegans Wake, by James Joyce ("Three quarks for Muster Mark!" book 2, episode 4). Zweig had referred to the particles as "aces", but Gell Mann's name caught on. Quarks, antiquarks, and gluons were soon established as the underlying elementary objects in the study of the structure of hadrons. He was awarded a Nobel Prize in Physics in 1969 for his contributions and discoveries concerning the classification of elementary particles and their interactions. In the 1960s, he introduced current algebra as a method of systematically exploiting symmetries to extract predictions from quark models, in the absence of reliable dynamical theory. This method led to model independent sum rules confirmed by experiment, and provided starting points underpinning the development of the Standard Model (SM), the widely accepted theory of elementary particles. In 1972 Gell Mann, while on sabbatical leave to CERN, together with Harald Fritzsch, Heinrich Leutwyler and William A. Bardeen, considered a Yang Mills theory of "quark color," and coined the term quantum chromodynamics (QCD) as the gauge theory of the strong interaction. The quark model is a part of QCD, and it has been robust enough to accommodate in a natural fashion the discovery of new "flavors" of quarks, which has superseded the eightfold way scheme. Gell Mann was responsible, with Pierre Ramond and Richard Slansky, and independently of Peter Minkowski, Rabindra Mohapatra, Goran Senjanović, Sheldon Glashow, and Tsutomu Yanagida, proposed the seesaw theory of neutrino masses. This produces masses at the large scale in any theory with a right handed neutrino. He is also known to have played a role in keeping string theory alive through the 1970s and early 1980s, supporting that line of research at a time when it was a topic of niche interest. Gell Mann was a proponent of the consistent histories approach to understanding quantum mechanics, which he advocated in papers with James Hartle.