사카타 쇼이치
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1. 개요
사카타 쇼이치는 일본의 물리학자로, 중간자 이론, 이중 중간자론, 혼합장 이론, 사카타 모형, 폰테코르보-마키-나카가와-사카타 행렬(PMNS 행렬) 등 소립자 물리학 분야에 기여했다. 교토 제국 대학 졸업 후 이화학연구소, 오사카 제국 대학을 거쳐 나고야 제국 대학 교수로 재직하며 유카와 히데키와 함께 연구를 진행했다. 사카타 모형은 쿼크 모형에 영감을 주었으며, PMNS 행렬은 중성미자 진동 현상을 예측하여 2015년 노벨 물리학상 수상에 기여했다. 또한, 무한 계층론을 제창하고, 마오쩌둥과의 만남을 통해 층자론 연구에 영향을 미치기도 했다.
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| 사카타 쇼이치 - [인물]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 인물 정보 | |
| 본명 | 사카타 쇼이치 (坂田 昌一) |
| 출생일 | 1911년 1월 18일 |
| 출생지 | 일본, 도쿄도 |
| 사망일 | 1970년 10월 16일 (향년 59세) |
| 사망 장소 | 나고야, 일본 |
| 국적 | 일본 |
| 학력 및 경력 | |
| 모교 | 교토 제국대학 |
| 직업 | 물리학자 |
| 소속 | 이화학연구소 오사카 대학 교토 대학 나고야 대학 |
| 학문적 정보 | |
| 분야 | 소립자물리학 |
| 지도 학생 | 고시바 마사토시 마스카와 도시히데 |
| 주요 업적 | 2중간자 이론 혼합장 이론 하드론의 복합 모형 중성미자 진동의 PMNS 행렬 마키-나카가와-사카타 행렬 사카타 모형 |
| 수상 | |
| 수상 | 아사히상 |
2. 생애 및 학력
도쿄시 고지마치구(현 도쿄도 지요다구)에서 태어나 구제 고난 고등학교를 거쳐 1933년에 교토 제국대학 이학부 물리학과를 졸업했다. 이화학연구소, 오사카 제국대학 강사, 교토 제국대학 강사를 거쳐 1942년에 나고야 제국대학 교수가 되었다. 유카와 히데키가 발표한 중간자론의 제2논문에서부터 제4논문의 공저자이다.
사카타의 제자들로는 오가와 슈조, 야마다 에이지, 마키 지로, 오쓰키 쇼이치로, 오누키 요시오, 우메자와 히로오미, 다카하시 야스시, 사키타 분지와 노벨 물리학상(2008년)을 수상한 고바야시 마코토, 마스카와 도시히데 등이 있다.
2. 1. 초기 생애
도쿄시 고지마치구(현 도쿄도 지요다구)에서 1911년 1월 18일에 태어났다. 구제 고난 고등학교를 거쳐 1933년에 교토 제국대학 이학부 물리학과를 졸업했다.사카타 가문은 공공 봉사의 전통을 가진 집안이었으며, 그는 사카타 타츠에와 사카타 미키타|坂田幹太일본어의 여섯 자녀 중 장남이었다. 사카타가 태어날 당시 아버지 미키타는 사카타의 대부가 된 가쓰라 타로 총리의 비서였다. 1924년 효고현의 고난 중학교에 다니면서 물리학자 아라카쓰 분사쿠에게 가르침을 받았다. 1926년부터 1929년까지 고난 고등학교에 재학하는 동안 영향력 있는 물리학자 이시와라 준의 강연을 들었다. 또한 나중에 프리드리히 엥겔스의 1883년 미완성 작품인 ''자연 변증법''을 일본어로 공동 번역하게 될 카토 타다시와도 친분을 쌓았다. 사카타에 따르면, ''자연 변증법''과 블라디미르 레닌의 1909년 저서 ''유물론과 경험 비판론''은 그의 사고 형성에 중요한 영향을 미쳤다고 한다.
2. 2. 학력 및 연구 활동
도쿄시 고지마치구(도쿄도 지요다구)에서 태어나 구제 고난 고등학교를 거쳐 1933년 교토 제국 대학 이학부 물리학과를 졸업했다. 이화학연구소, 오사카 제국 대학 강사, 교토 제국 대학 강사를 거쳐 1942년 나고야 제국 대학 교수가 되었다. 유카와 히데키의 중간자론 제2논문부터 제4논문의 공동 저자이다.1942년, 이노우에 겐과 함께 핵력의 기원이 되는 중간자와 당시 우주선에서 발견된 중간자와의 차이를 설명하기 위해 '''이중 중간자론'''을 제창했다. 이는 1948년에 π 중간자가 발견됨으로써 증명되었다.
1948년, 이노우에 겐, 타카기 슈지, 하라 오사무와 함께 전자가 만드는 전장을 양자화할 때 전자의 질량이 무한대로 발산한다는 양자 전기역학의 문제를 해결하기 위해, 응집력장(cohesive field)이라는 새로운 장으로 질량의 무한대를 상쇄하는 '''혼합장 이론'''(C 중간자 이론)을 발표했다. 그러나 그 후의 검증에서 질량의 발산은 상쇄하지만 진공 편극의 발산은 상쇄하지 않고 남는다는 것이 밝혀졌다.[27] 이는 후에 토모나가 신이치로가 재규격화 이론을 완성하여 해결하였다.
1955년, 중성자, 양성자, 람다 입자가 가장 기본적인 입자이며 다른 하드론은 이 3개의 소립자와 그 반입자로 구성된다는 하드론 복합 모형('''사카타 모형''')을 발표했다. 이 모형은 기본 입자를 하나 더 추가한 나고야 모형(1960년) 및 신 나고야 모형(1962년)으로 개량되어 일정 부분 성공을 거두었다. 그 후, 이 모형의 발전형인 머레이 겔만 등의 쿼크 모형이 등장하면서 이들 모형은 부정되었다. 사카타는 쿼크 모형을 전면적으로 지지했으며, 오히려 제창자인 겔만 자신이 쿼크 모형을 가설 이론으로 취급한 것에 대해 부정적인 견해를 보였다.[28]
1962년, 마키 지로, 나카가와 마사미와 함께 중성미자 진동을 예측하는 '''폰테코르보-마키-나카가와-사카타 행렬'''(PMNS 행렬)을 발표했다.
3. 주요 연구 업적
1933년 교토 제국대학 이학부 물리학과를 졸업하고, 이화학연구소와 오사카 제국대학 강사를 거쳐 1942년 나고야 제국대학 교수가 되었다. 유카와 히데키가 발표한 중간자론의 제2논문부터 제4논문의 공저자이다.
1954년 5월부터 10월까지 N. 보어와 C. 몰러의 초청으로 닐스 보어 연구소에 머물렀다. 이 기간 동안 나카노-니시지마-겔만(NNG) 규칙에 대한 연구를 소개하는 강연을 했다.[8][9][10]
쿼크가 계층의 하나일 뿐이며, 더 나아가 그 하부 구조가 무한히 존재한다는 '무한계층론'을 제창했다.
사카타 학파로 불리는 많은 제자들을 길러냈으며, 오가와 슈조, 마키 지로, 오누키 요시오 등이 그의 제자이다. 노벨 물리학상(2008년)을 수상한 고바야시 마코토와 마스카와 도시히데도 사카타의 영향을 받았다.[24]
3. 1. 2중간자 이론 (1942)
1942년, 이노우에 겐과 함께 핵력의 기원이 되는 중간자와 당시 우주선에서 발견된 중간자와의 차이를 설명하기 위해, '''이중 중간자론'''을 제창했다. 이는 1948년에 π 중간자가 발견됨으로써 증명되었다.당시, 하드 성분 우주선에서 발견된 하전 입자는 유카와의 중간자(파이온)로 오인되었다. 이는 발견된 우주선 입자의 수수께끼로 이어졌다. 사카타와 이노우에는 이 우주선 입자를 파이온 붕괴에서 생성된 하전 페르미온으로 식별하여 이 수수께끼를 해결했다. 또한 파이온이 페르미온으로 붕괴될 수 있도록 새로운 중성 페르미온도 도입했다.[6]
이러한 하전 및 중성 페르미온은 현대 언어에서 두 번째 세대 렙톤인 뮤온과 뮤온 중성미자에 해당한다. 그들은 유카와 입자의 붕괴에 대해 다음과 같이 논의했다.[7]
| + | → | + | + |
사카타와 이노우에는 뮤온의 스핀 할당을 정확히 예측했고, 두 번째 중성미자도 도입했다. 그들은 이를 베타 붕괴 중성미자와 구별되는 입자로 취급했고, 뮤온의 3체 붕괴를 정확하게 예상했다. 사카타-이노우에의 2중간자 이론 논문의 영어 출판은 π → μν 붕괴의 실험적 발견 1년 전인 1946년까지 지연되었다.[7]
3. 2. 혼합장 이론 (C중간자 이론) (1948)
1942년, 이노우에 겐과 함께 핵력의 기원이 되는 중간자와 당시 우주선 중에 발견된 중간자와의 차이를 설명하기 위해, '''이중 중간자론'''을 제창했다. 이는 1948년에 π 중간자가 발견됨으로써 증명되었다.1948년, 이노우에 겐, 타카기 슈지 및 하라 오사무와 함께, 전자가 만드는 전장을 양자화할 때 전자의 질량이 무한대로 발산한다는 양자 전기역학의 문제를 해결하기 위해, 응집력장(cohesive field)이라는 새로운 장에 의해 질량의 무한대를 상쇄하는 '''혼합장 이론'''(C 중간자 이론)을 발표했다. 그러나, 그 후의 검증에 의해, 질량의 발산은 상쇄하지만 진공 편극의 발산은 상쇄하지 않고 남는다는 것을 알게 되었다[27]。 이는, 후에 토모나가 신이치로가 재규격화 이론을 완성함으로써 해결을 보았다.
3. 3. 사카타 모형 (1955)
1955년, 사카타 쇼이치는 중성자, 양성자, 람다 입자가 가장 기본적인 입자이며 다른 하드론은 이 3개의 소립자와 그것들의 반입자로 구성된다는 하드론 복합 모형인 '''사카타 모형'''을 발표했다.[11] 1956년에는 나카노-니시지마-겔만(NNG) 규칙의 이면에 있는 물리학을 밝히기 위해 자신의 사카타 모델을 제안했는데,[11] 이는 모든 강하게 상호 작용하는 입자의 기본 구성 요소가 양성자, 중성자, 람다 바리온이라고 가정함으로써 NNG 규칙을 설명했다.사카타 모형에서 양으로 하전된 파이온은 페르미-양 합성 유카와 중간자 모델과 유사하게 양성자와 반중성자로 만들어졌고,[12] 양으로 하전된 카온은 양성자와 반람다로 구성되어 NNG 규칙을 설명하는 데 성공했다. 정수 전하 외에도 양성자, 중성자, 람다는 각각 업 쿼크, 다운 쿼크, 스트레인지 쿼크와 유사한 특성을 가졌다.
1959년 이케다, 오가와, 오누키[13][14]와 독립적으로 야마구치[15][16]는 사카타 모델에서 U(3) 대칭성을 발견했다. U(3) 대칭성은 머레이 겔만의 팔중도[17] 아이디어(1961)에서 하드론에 대한 수학적 설명을 제공했다.
사카타 모형은 기본 입자를 하나 더 늘린 나고야 모형(1960년) 및 신 나고야 모형(1962년)으로 개량되어 일정 부분 성공을 거두었다. 그러나 1964년 겔만과 조지 츠바이크가 제안한 쿼크 모형에 의해 대체되었는데, 쿼크 모형은 U(3) 대칭성을 유지했지만 구성 요소를 분수 전하로 만들었고 관찰된 입자와 동일시될 수 있다는 생각을 거부했다. 그럼에도 일본 내에서는 사카타 모형과 유사한 정수 전하 쿼크 모델이 1970년대까지 사용되었으며, 특정 영역에서 효과적인 설명으로 여전히 사용되고 있다.
사카타 모형은 해리 J. 립킨의 저서 ''"리 군s for Pedestrians"''(1965)에서 사용되었고,[18] SU(3) 대칭성은 L.B.오쿤의 교과서 ''"Weak Interaction of Elementary Particles"''(1965)에서도 설명되었다.[19] 사카타는 쿼크 모형을 전면적으로 지지했지만, 제창자인 겔만이 쿼크 모형을 가설로 여긴 것에 대해서는 부정적이었다.[28]
3. 4. 폰테코르보-마키-나카가와-사카타 행렬 (PMNS 행렬) (1962)
1962년 마키 지로, 나카가와 마사미와 함께 중성미자 진동을 예측하는 '''폰테코르보-마키-나카가와-사카타 행렬(PMNS 행렬)'''을 발표했다.[22] 마키, 나카가와, 사카타가 예측한 중성미자 진동 현상은 실험적으로 확인되었으며, 이 업적은 2015년 노벨 물리학상으로 이어졌다.[25]4. 과학 철학 및 사회 활동
사카타 쇼이치는 과학 철학에 관심을 가졌으며 사회 활동에도 참여했다. 1955년 중성자, 양성자, 람다 중입자를 기본 입자로 하는 사카타 모형을 발표했는데, 이는 머리 겔만의 쿼크 모형 등장 이전까지 하드론 복합 모형으로서 중요한 위치를 차지했다.[36] 1962년에는 마키 지로, 나카가와 마사미와 함께 중성미자 진동을 예측하는 폰테코르보·마키·나카가와·사카타 행렬(PMNS 행렬)을 발표했다.
오가와 슈조, 마키 지로 외에도 노벨 물리학상을 수상한 고바야시 마코토, 마스카와 도시히데 등은 사카타의 제자들이다.
4. 1. 무한계층론
쿼크는 계층의 하나에 지나지 않으며, 더 나아가 그 하부 구조가 무한히 존재한다고 하는 물질의 ‘'''무한계층론'''’을 제창했다.4. 2. 국제 관계 및 사회 참여
1964년 마오쩌둥과 대면했을 때, 마오쩌둥은 무한히 반복되는 구조로서의 소립자에 대해 ‘층자라는 이름이 좋다’라고 제안했다고 한다.[38] 마오쩌둥은 자국의 물리학자에게 사카타의 이론에 기반한 층자론을 연구하도록 지시했다고 한다.[38]5. 노벨상 관련 논란
남부 요이치로, 마스카와 도시히데, 고바야시 마코토는 2008년 노벨 물리학상을 대칭성 깨짐 연구로 수상했으며, 모두 사카타 쇼이치의 지도와 영향 아래 있었다.[24] 1973년 카비보-코바야시-마스카와 행렬은 나고야 모형에서 약한 상호작용에 대한 바리온 혼합에서 영감을 받았다. 그러나 물리학자들은 일반적으로 기본 입자의 표준 모형에 세 번째 세대의 쿼크("톱" 쿼크와 "바닥" 쿼크)를 도입한 것은 1973년 고바야시와 마스카와의 논문에 기인한다고 본다.
머리 겔만과 조지 츠바이크의 쿼크 모형은 사카타 쇼이치의 "사카타 모형"에서 영감을 받았지만, 1969년 노벨 물리학상은 머리 겔만에게만 수여되었다. 이후 노벨 물리학 위원회 위원 이바르 발러는 사카타가 상을 받지 못한 것에 대해 안타까워했다.[26]
1970년 9월, 유카와 히데키는 발러에게 사카타가 노벨상 후보로 지명될 당시 건강이 좋지 않았고 이후 상태가 상당히 악화되었다는 내용의 편지를 보냈다. 3주 후, 사카타는 사망했다. 유카와는 사카타가 상을 받았다면 큰 영예와 격려가 되었을 것이라고 발러에게 알렸다. 그는 일본의 저명한 입자 물리학자들을 대표하여 사카타의 업적에 대해 노벨 위원회가 어떻게 생각하는지 알고 싶다고 요청했다.[26]
노벨상 위원회가 선정 50년 후 공표한 1969년 후보자 명단에는 사카타의 이름이 없었고,[30] 1970년 유카와 히데키의 추천으로 니시지마 가즈히코・나카노 타다오와 함께 후보가 된 것이 유일한 노미네이트였다.[31]
6. 수상 경력
| 연도 | 상 이름 | 비고 |
|---|---|---|
| 1948년 | 아사히상 | 2중간자 가설[39][34] |
| 1948년 | 주니치 문화상 | 2중간자 이론 이후 응집력 중간자론에 이르는 소립자의 연구[40][35] |
| 1950년 | 은사상 | |
| 1970년 | 종3위 훈2등 서보장 |
참조
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서적
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