Afgelopen dagen kwam de wereld erachter dat de Japans-Amerikaanse Nobelprijswinnaar natuurkunde Yoichiro Nambu begin deze maand op 94-jarige leeftijd is overleden. Aangezien het hier een grootheid uit de deeltjesfysica betreft, een mooi moment om er even bij stil te staan wat Nambu precies aan de wetenschap heeft bijgedragen.
Nambu kreeg een halve Nobelprijs natuurkunde voor zijn werk aan “spontane symmetriebreking”. Maar wat houdt dat precies in?
Om daar een beetje een beeld van te krijgen, is het allereerst belangrijk om te weten dat natuurkundige theorieën symmetrieën kunnen hebben; een begrip dat in de fysica een wat andere betekenis heeft dan in het dagelijks leven. Als een systeem een symmetrie heeft, wil dat kort door de bocht zeggen dat de natuurkundige wetten hetzelfde blijven werken als je een bepaalde verandering toepast. (Simpel voorbeeld: als je een experiment een paar meter verplaatst of het een week later opnieuw uitvoert, hoort het dezelfde uitkomst te blijven geven.) Maar, zo stelde Nambu: zo’n symmetrie kan uit zichzelf op een gegeven moment verdwijnen; hij kan ‘spontaan breken’, zoals dat heet.
Die mogelijkheid wilde Nambu vervolgens uitbuiten om een probleem op te lossen. Je hebt namelijk bepaalde symmetrieën die nodig zijn, wil een natuurkundige theorie zich wiskundig gezien netjes blijven gedragen – maar die niet meer opgaan zo gauw je deeltjes een massa toekent.
Wat nu, dacht Nambu, als je een in de basis symmetrische theorie hebt (die zich dus netjes gedraagt) en daar een veld aan toevoegt dat deeltjes een massa toekent en tegelijk die symmetrie breekt. Dan heb je wellicht nog steeds de voordelen van die symmetrie – ook als die symmetrie nu gebroken is – én je hebt deeltjes met een massa, zoals die voorkomen in de wereld om ons heen.
Vervolgens constateerde Nambu dat, als je die truc probeert toe te passen op protonen en neutronen, je dat een extra massaloos deeltje oplevert. Collega-fysicus Jeffrey Goldstone poneerde daarop dat zo’n deeltje altijd verschijnt als je een symmetrie breekt. Vandaar dat zo’n extra deeltje nu een nambu-goldstoneboson of simpelweg een goldstoneboson wordt genoemd.
Destijds kwam Nambu er verder niet uit. Dat extra massaloze deeltje leek niet te bestaan, dus was symmetriebreking blijkbaar niet de juiste weg om deeltjes van een massa te voorzien, zonder dat de bijbehorende theorie in de soep liep.
Maar later, in 1964, bedachten zes wetenschappers, waaronder Peter Higgs, een mechanisme waarbij die massaloze extra deeltjes verdwijnen, ofwel doordat ze koppelen aan bekende deeltjes en dus niet meer ‘los’ voorkomen, ofwel doordat ze een massa krijgen toebedeeld. Dit mechanisme kennen we nu als het higgsmechanisme – dat dus eigenlijk de truc die Nambu had bedacht én afgeserveerd weer op de kaart zette.
Vervolgens duurde het nog een paar jaar voordat anderen weer hadden bedacht dat je dit mechanisme goed kon gebruiken om specifiek de W- en de Z-bosonen hun massa te geven. Je introduceert dan twee velden, die je in totaal vier massaloze goldstonebosonen geven. Drie daarvan koppelen aan de W- en de Z-deeltjes, die daardoor van massaloze deeltjes veranderen in deeltjes mét een massa. Het vierde goldstoneboson blijft alleen achter, maar krijgt wel een – onbekende – massa. En dit laatste deeltje werd in 2012 eindelijk ontdekt: het beroemde higgsdeeltje. Niet dat Nambu daarop hoefde te wachten: al in 2008 kreeg hij zijn Nobelprijs voor zijn werk aan spontane symmetriebreking.
Maar Nambu deed meer. Onder andere leverde hij een grote bijdrage aan de theorie van de zogenoemde sterke kracht, die atoomkernen en quarks bij elkaar houdt. Hij introduceerde namelijk met anderen het concept van ‘quarkkleur’, alsmede het idee achter de gluonen; de deeltjes die als lijm de quarks bij elkaar houden.
Daarnaast realiseerde Nambu zich in 1969, tegelijkertijd met Leonard Susskind en Holger Bech Nielsen, dat je een bepaalde theorie die toen de ronde deed kon zien in termen van trillende snaartjes. Daarmee werd hij in feite een van de drie grootvaders van de snaartheorie, die in latere incarnaties decennialang de theoretische natuurkunde zou domineren.
Kortom: Nambu mag dan misschien niet de bekendste naam zijn uit de natuurkunde, maar een reus binnen zijn vakgebied was hij zeker.
Meer weten? Lees hoofdstuk 6 van De deeltjesdierentuin, dat het ontstaan van het higgsmechanisme in meer detail behandelt!