MIT

[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글목록][이 전][다 음]
[ MIT ] in KIDS
글 쓴 이(By): flame (Tommy)
날 짜 (Date): 1999년 10월 13일 수요일 오전 12시 57분 40초
제 목(Title): [news] 1999 Nobel prize in physics






      The Royal Swedish Academy of Sciences has awarded
      the 1999 Nobel Prize in Physics 
      jointly to 

      Professor Gerardus 't Hooft, University of Utrecht, Utrecht, the 
Netherlands, and 
      Professor Emeritus Martinus J.G. Veltman, Bilthoven, the Netherlands. 

      The two researchers are being awarded the Nobel Prize for having placed 
particle physics theory on a firmer
      mathematical foundation. They have in particular shown how the theory 
may be used for precise calculations of
      physical quantities. Experiments at accelerator laboratories in Europe 
and the USA have recently confirmed
      many of the calculated results. 

      The Academy's citation:
      "for elucidating the quantum structure of electroweak interactions in 
physics."


      Particle physics theory on firmer mathematical foundation
      The everyday objects in our surroundings are all built up of atoms, 
which consist of electrons and atomic nuclei.
      In the nuclei there are protons and neutrons, which in turn are made up 
of quarks. To study matter at this
      innermost level, large accelerators are required. Such machines were 
first designed in the 1950s, signifying the
      birth of modern particle physics. For the first time it was possible to 
study the creation of new particles and the
      forces that act between them.

      Around the middle of the 1950s, a first version of the modern theory 
was also formulated. Many years of work
      have now resulted in the standard model of particle physics. This model 
groups all elementary particles into
      three families of quarks and leptons, which interact with the help of a 
number of exchange particles for the strong
      and the electro-weak forces (Fig 1). 

      The theoretical foundation of the standard model was at first 
incomplete mathematically and in particular it was
      unclear whether the theory could be used at all for detailed 
calculations of physical quantities. Gerardus 't
      Hooft and Martinus J.G.Veltman are being awarded this year's Nobel 
Prize for having placed this theory on a
      firmer mathematical foundation. Their work has given researchers a well 
functioning "theoretical machinery"
      which can be used for, among other things, predicting the properties of 
new particles.




      Fig. 1 Matter's fundamental particles are six leptons and six quarks. 
In the standard model of particle physics the forces between them
      are described by quantum field theories, all of the non-abelian gauge 
theory type. The electro-weak force is mediated by four exchange
      particles. These are the mass-less photon (gamma) and the three field 
particles W+, W - and Z0. The strong force is conveyed by eight
      mass-less gluons g. Apart from these twelve exchange particles, the 
theory predicts a very heavy particle, the Higgs particle H0. The
      field of the Higgs particle generates all particle masses.


      New name for an old theory
      Modern theories used today in the standard model of particle physics 
for describing the interactions of particles
      are all gauge theories. The term gauge relates to a particular feature 
of these theories, gauge symmetry, viewed
      by many researchers as one of the most fundamental features of physics. 
Yet as early as in the 1860s the
      Scotsman James Clerk Maxwell formulated a theory of electromagnetism 
which in today's modern terminology
      is a gauge theory. His theory, which still holds, united electricity 
with magnetism and predicted, among other
      things, the existence of radio waves.

      We can illustrate the concept of gauge symmetry as follows. Electric 
and magnetic fields can be expressed
      using potential functions. These can be exchanged (gauge-transformed ) 
according to a certain rule without
      changing the fields. The very simplest transformation is to add a 
constant to the electrical potential. Physically
      this illustrates the well-known fact that electrical potential can be 
calculated from an arbitrary zero point, since
      only the differences in potential are of significance. This is why a 
squirrel can walk along a high-tension cable
      without being injured. That the zero point can be moved in this way is 
perceived by physicists as a symmetry in
      the theory, gauge symmetry.

      The order in which one performs two gauge transformations is 
immaterial. We normally say that
      electromagnetism is an abelian gauge theory, after the Norwegian 
mathematician Niels Henrik Abel, who lived
      between 1802 and 1829. (A simple example of transformations that are 
abelian are plane rotations. Try this
      yourself with a pencil, as shown in Figure 2a.)


      Figure 2a) An example of a group of abelian transformations is rotation 
in two dimensions.



      Put a pencil on a table.


                                Turn it first 90o 


                                                         and then 180o in the 
same
                                                         direction.



      Do it once again, but now 
      reverse the order:

                                Turn it first 180o 


                                                         and then 90o.
                                                         The result is the 
same!



      Figure 2b) An example of a group of non-abelian transformations is 
rotation in three-dimensional space.

                                                                              

      Hold a pencil horizontally with
      the point to the right. 

                                Turn it through 90o so that the
                                point points to the floor.

                                                         Then turn it through 
180o so that the point points
                                                         upwards.

                                                                             

      Do it once again, but now
      reverse the order:


                                Do the 180!F turn first (which 
                                does not alter the direction of 
                                the point but causes the pencil
                                to turn half a revolution).
                                                         Then do the 90!F 
degree turn (which causes the
                                                         point to point to 
the floor). The result is now
                                                         quite different!





      Quantum mechanics raises problems
      Directly after quantum mechanics had been formulated around 1925 
attempts were made to unify the wave
      functions of quantum mechanics and the fields of electromagnetism into 
a quantum field theory. But problems
      arose. The new quantum electrodynamics became complicated and attempts 
to perform calculations often gave
      unreasonable results. One reason was that quantum theory predicts that 
the electromagnetic fields close to e.g.
      an electron or a proton can spontaneously generate quantities of very 
short-lived particles and anti-particles,
      virtual particles (Fig. 3). 
      A system of only one electron suddenly became a multi-particle problem!

      The problem was solved in the 1940s by Sin-Itiro Tomonaga, Julian 
Schwinger and Richard P. Feynman (who
      shared the 1965 Nobel Prize in physics for their contributions). The 
method developed by these three is called
      renormalization and, simply expressed, means that individual particles 
can be viewed "somewhat at a
      distance". In this way it is unnecessary to consider the virtual 
particle pairs individually: the "cloud" of virtual
      particles can be allowed to obscure the central, original particle. In 
this way, the original particle gains a new
      charge and a new mass, among other things. In modern terminology, 
Tomonaga, Schwinger and Feynman
      renormalized an abelian gauge theory.



      Fig. 3 According to quantum field theory a real "physical" particle 
consists of a "naked" central particle "dressed" in a cloud of very
      short-lived so called "virtual" particles.

      Quantum electrodynamics has been tested with greater accuracy than any 
other theory in physics. Thus for
      example Hans Dehmelt (Nobel Prize in Physics 1989) succeeded in 
measuring electron magnetism in an ion
      trap with an accuracy of 12 digits. The first 10 digits agreed directly 
with calculated results.


      Unified electromagnetic and weak interaction
      The discovery and study of radioactivity and the subsequent development 
of atomic physics during the first half
      of the twentieth century produced the concepts of strong and weak 
interaction. In simple terms strong
      interaction holds the atomic nucleus together while weak interaction 
allows certain nuclei to decay radioactively.
      As early as the 1930s a first quantum field theory for weak interaction 
was formulated. This theory suffered
      from problems that were even worse than those quantum electrodynamics 
had had and not even the
      renormalization method of Tomonaga, Schwinger and Feynman could solve 
them.

      But in the mid-1950s some researchers found a first example of a 
quantum field theory with new features, a
      non-abelian gauge theory. As opposed to the abelian variant, in which 
gauge transformations can be performed
      in any order, the result of the non-abelian depends on the order. This 
gives the theory a more complicated
      mathematical structure but also opens up new possibilities. (A simple 
example of non-abelian transformations
      is rotations in space. Try it yourself with a pencil, as shown in 
      Figure 2b.)

      The new possibilities of the theory were not fully exploited until the 
1960s when a number of researchers
      collaborated in the development of a non-abelian gauge theory that 
unites electromagnetism and weak
      interaction into an electro-weak interaction (Nobel Prize 1979 to 
Sheldon L.Glashow, Abdus Salam and Steven
      Weinberg). This quantum field theory predicted the new particles W and 
Z which were detected in 1983 at the
      European CERN accelerator laboratory in Geneva (Nobel Prize 1984 to 
Carlo Rubbia and Simon van der Meer).


      History repeats itself
      While the theory of electro-weak interaction developed in the 1960s was 
a great step forward, the research
      community at first found it difficult to accept. When they tried to use 
the theory for calculating in more detail the
      properties of the new W and Z particles (and many other physical 
quantities) it gave unreasonable results. The
      situation resembled that of the 1930s before Tomonaga, Schwinger and 
Feynman had succeeded in
      renormalizing quantum electrodynamics. Many researchers were 
pessimistic about the possibilities of going
      further with such a theory.

      One person who had not given up hope of being able to renormalize 
non-abelian gauge theories was Martinus
      J.G.Veltman. At the end of the 1960s he was a newly appointed professor 
at the University of Utrecht.
      Veltman had developed the Schoonship computer program which, using 
symbols, performed algebraic
      simplifications of the complicated expressions that all quantum field 
theories result in when quantitative
      calculations are performed. Twenty years earlier, Feynman had indeed 
systematised the problem of calculation
      and introduced Feynman diagrams that were rapidly accepted by 
researchers. But at that time there were no
      computers. Veltman believed firmly in the possibility of finding a way 
of renormalizing the theory and his
      computer program was the cornerstone of the comprehensive work of 
testing different ideas.

      In spring 1969 Veltman was joined by a 22-year-old pupil, Gerardus 't 
Hooft, who had expressed the desire
      to study high-energy physics. After he had written a first, fairly 
brief dissertation 't Hooft was accepted as a
      doctoral student that autumn. His task was to help in the search for a 
method of renormalizing non-abelian
      gauge theories. 't Hooft succeeded beyond all expectation and in 1971 
published two articles that represented
      an important breakthrough in the research programme. 

      With the help of Veltman's computer program 't Hooft's partial results 
were now verified and together they
      worked out a calculation method in detail. The non-abelian gauge theory 
of electro-weak interaction had
      become a functioning theoretic machinery and it was possible, just as 
it had become for quantum
      electrodynamics 20 years previously, to start performing precise 
calculations. 

      The theory's predictions verified
      As described above, the theory of the electro-weak force predicted the 
existence of the new W and Z particles
      right from the start. But it was only through 't Hooft's and Veltman's 
work that more precise prediction of
      physical quantities involving properties of W and Z could start. Large 
quantities of W and Z have recently been
      produced under controlled conditions at the LEP accelerator at CERN. 
Comparisons between measurements
      and calculations have all the time showed great agreement, thus 
supporting the theory's predictions.

      One particular quantity obtained with 't Hooft's and Veltman's 
calculation method based on CERN results is
      the mass of the top quark, the heavier of the two quarks included in 
the third family in the model. This quark was
      observed directly for the first time in 1995 at the Fermilab in the 
USA, but its mass had been predicted several
      years earlier. Here too, agreement between experiment and theory was 
satisfactory.


      When can we expect the next great discovery?
      An important ingredient in the theory 't Hooft and Veltman have 
developed is an as yet undemonstrated particle
      termed the Higgs particle (Fig. 1). In the same way as other particles 
have been predicted by theoretical
      arguments and later demonstrated experimentally, researchers are now 
awaiting direct observation of the Higgs
      particle. Using calculations similar to those of the mass of the top 
quark, there is a chance that one of the
      existing accelerators can be persuaded to produce some Higgs particles. 
But the only accelerator now under
      construction and powerful enough for more detailed study of the new 
particle is the Large Hadron Collider
      (LHC) at CERN. But researchers must contain themselves for a few years 
to come since it is reckoned that the
      LHC will not be complete until 2005.

      Top of page

                                            *****


      Further reading 

            "Background in English" by Professor Cecilia Jarlskog (see top fo 
page).
            In search of the Ultimate Building Blocks by Gerard 't Hooft, 
Cambridge University Press 1997. 
            The Higgs boson by Martinus J.G. Veltman, Scientific American, 
November 1986, p.88.
            An Elementary Primer for Gauge Theory by K. Moriyasu, World 
Scientific Publishing 1983.
            Gauge Theories of the Forces between Elementary Particles by 
Gerard 't Hooft, Scientific American,
            June 1980, p. 90.


      Top of page

                                            *****

      Gerardus 't Hooft
      born 1946 in Den Helder, the Netherlands. Dutch citizen. Doctoral 
degree in physics 1972 at University of
      Utrecht. Professor of Physics at University of Utrecht since 1977. 
Among other awards 't Hooft received the
      1979 Dannie Heineman Prize from the American Physical Society and the 
1982 Wolf Prize for his work on
      renormalizing gauge theories. Member of the Dutch Academy of Sciences 
since 1982.

      Professor Gerardus 't Hooft
      Spinoza Instituut
      Leuvenlaan 4
      Postbus 80.195
      The Netherlands


      Martinus J.G.Veltman
      born 1931 in the Netherlands. Dutch citizen. Doctoral degree in physics 
1963 at University of Utrecht. Professor
      of Physics at University of Utrecht 1966-1981 and at University of 
Michigan, Ann Arbor, from 1981 (now
      retired). Among other awards Veltman received the 1993 High Energy and 
Particle Physics Prize from the
      European Physical Society for his work on renormalizing gauge theories. 
Member of the Dutch Academy of
      Sciences since 1981.

      Professor Martinus J.G.Veltman
      Schubertlaan 15
      3723 LM Bilthoven
      The Netherlands


      The amount of the Nobel Prize Award is SEK 7,900,000.

.
[알림판목록 I] [알림판목록 II] [글 목록][이 전][다 음]
키 즈 는 열 린 사 람 들 의 모 임 입 니 다.