Zephyrnet-logo

Toichiro Kinoshita: de theoreticus wiens berekeningen van g-2 licht werpen op ons begrip van de natuur - Physics World

Datum:

Robert P. Crease is een eerbetoon aan wijlen Toichiro "Tom" Kinoshita, die een sleutelrol speelde in de ontwikkeling van kwantumelektrodynamica

Toichiro Kinoshita (links) en Richard Feynman op een boot

In zowel zijn persoonlijke als zijn professionele leven, de baanbrekende theoretisch natuurkundige Toichiro "Tom" Kinoshita gesmeed de meest stabiele paden door de meest tumultueuze tijden. Geboren op 23 januari 1925 in Tokio, Japan, bracht hij het grootste deel van zijn carrière door in de VS, waar hij een baanbrekende rol speelde in de ontwikkeling van kwantumelektrodynamica (QED). Met name zijn berekeningen van een van de belangrijkste constanten - g-2 – heeft ertoe bijgedragen dat QED de meest nauwkeurige theorie in de geschiedenis van de natuurkunde is geworden.

Kinoshita, die op 23 maart 2023 op 98-jarige leeftijd overleed, was geen onbekende voor mij. Hij was de schoonvader van een goede vriend en ik kende hem al bijna drie decennia. Sterker nog, ik had het geluk dat ik Kinoshita uitgebreid kon spreken over zijn lange en vruchtbare carrière gedurende een acht uur durende interview over mondelinge geschiedenis die ik in 2016 heb uitgevoerd voor de Niels Bohr bibliotheek en archieven van het American Institute of Physics.

Japanse wortels

Zoals ik tijdens ons gesprek ontdekte, was Kinoshita de erfgenaam van een familie van rijstboeren die verwachtten dat hun mannelijk kind het familiebedrijf zou overnemen. Hun plannen werden verstoord door de rol van Japan in de Tweede Wereldoorlog, die al was begonnen toen Kinoshita nog een tiener was. De meeste van zijn collega's werden opgeroepen om in het leger te dienen, velen keerden nooit meer terug.

Maar Kinoshita had geluk. Het Japanse leger wilde dat degenen die een talent voor natuurkunde hadden, bomtrajecten berekenden voor artilleriebeschietingen aan het slagfront. De autoriteiten duwden Kinoshita daarom door een strak gecomprimeerde versie van zijn middelbare school- en universiteitscurriculum aan de Universiteit van Tokio. Onderweg leerde hij geavanceerde natuurkunde van mentoren die artikelen onderwezen, die per onderzeeër Japan waren binnengesmokkeld en die waren geschreven door Werner Heisenberg en andere Duitse natuurkundigen.

Kinoshita leerde geavanceerde natuurkunde van mentoren die artikelen onderwezen, die per onderzeeër Japan waren binnengesmokkeld, die waren geschreven door Werner Heisenberg en andere Duitse natuurkundigen

In augustus 1945, tijdens zijn zomervakantie aan de universiteit, was Kinoshita thuis bij zijn ouders in de stad Yonago toen hij op de radio hoorde dat Hiroshima, dat zo'n 125 km naar het zuiden lag, met de grond gelijk was gemaakt. Zoals hij me in ons interview vertelde, wist Kinoshita – door de kracht van de explosie – dat dit geen gewone bom was, maar een bom die atoomenergie moest aftappen. "Ik wist wat atoomenergie kan doen, dus ik dacht meteen: dit moet een atoombom zijn", zei hij.

Een paar dagen later was hij bij Shinjuku treinstation in Tokio toen iedereen onverwachts de opdracht kreeg om op zijn plaats te blijven voor belangrijk nieuws. In wat een hoogst ongebruikelijke zet was, kwam de Japanse keizer op de omroepinstallatie om aan te kondigen dat Japan zich had overgegeven. Kinoshita was opgelucht, net als anderen om hem heen; zoals zoveel Japanners was hij bang voor en ontsteld door de oorlog die was begonnen door de militaire leiders van zijn land. "Wow dat is goed. Ik hoef niet dood te gaan,' herinnerde hij zich dat hij dacht.

Honderdduizenden Amerikaanse troepen arriveerden enkele weken later en bezetten het land. De nieuwe door de VS geïnstalleerde regering zette een landelijk landhervormingsprogramma door. Het land van de Kinoshita-familie werd in beslag genomen en verdeeld onder de deelpachters, waardoor Kinoshita geen erfenis meer had. Hoe vreemd het ook mag lijken, hij was opgewonden omdat zijn plotselinge armoede hem bevrijdde van de verwachtingen van zijn familie dat hij landheer van rijstboerderijen zou worden. In plaats daarvan zou hij natuurkunde kunnen studeren.

Overlevend van beurzen van de Universiteit van Tokio en van het geven van natuurkundelessen aan een andere nabijgelegen universiteit, studeerde Kinoshita in 1947 af voordat ze promoveerde. Zijn leermeester was Sin Itiro Tomonaga, die later deelde 1965 Nobelprijs voor Natuurkunde met Richard Feynman en Julian Schwinger. Tomonaga bracht Kinoshita onder de aandacht van Robert Oppenheimer, de Amerikaanse natuurkundige die aan het hoofd stond van het atoombomproject in Manhattan.

Oppenheimer regelde op zijn beurt voor Kinoshita en zijn collega Yoichiro Nambu – een andere toekomst Nobel laureaat – om postdoc te zijn bij de Instituut voor geavanceerde studie (IAS) in Princeton, New Jersey. Kinoshita kon het geld voor de overtocht echter nauwelijks bij elkaar krijgen en hij zag zich genoodzaakt een vrachtboot van Tokyo naar Seattle te nemen. Hij moest ook zijn vrouw Masako of "Masa" Kinoshita (née Matsuoka) achterlaten - een voormalige student in een van zijn klassen met wie hij in 1951 was getrouwd. Haar rijke ouders, leden van de kleine marxistische gemeenschap van Japan, waren gevangen gezet tijdens de oorlog, daarna alles verloren toen geallieerde bommen hun familiebedrijf vernietigden.

Vanuit Seattle bezocht Kinoshita laboratoria aan de Amerikaanse westkust, waaronder het Lawrence Berkeley Laboratory en het California Institute of Technology. Reizend per bus en trein trok hij oostwaarts over de Rockies, waar hij eerst Denver en vervolgens het laboratorium van Enrico Fermi in Chicago bezocht. Uiteindelijk kwam hij aan in Princeton, samen met zijn vrouw in 1953. Later dat jaar logeerde hij bij een hospita die "Toichiro" niet kon uitspreken en noemde hem daarom "Tom" - een naam die de rest van zijn leven zou blijven bestaan. .

Wiebelige fundamenten

In 1956 – na twee jaar aan de IAS en nog een aan Columbia University in New York – kwamen Tom en Masa terecht bij Cornell University, waar hij de rest van zijn carrière bleef. Daar oefende Masa een traditionele Japanse textielkunstvorm bekend als Kumihimo, of "verzamelde draden", gaf workshops in de VS en Japan en publiceerde in 360 een monumentaal boek van 1994 pagina's over dit onderwerp. Ze herontdekte en ontwikkelde een archaïsche en bijna vergeten vorm van Kumihimo waarbij complexe loops betrokken waren, die ze opnieuw implementeerde met behulp van haar achtergrond in wiskunde.

In 1962 bezocht Kinoshita CERN met een beurs van de Ford Foundation. Op de tweede dag van zijn bezoek aan Genève nam hij deel aan een laboratoriumrondleiding, en tijdens de allereerste stop werd hij gebiologeerd door een grafiek die experimentatoren van het Proton-synchrotron aan de muur was geplakt. Nadat ze hadden gemeten hoe muonen in een magnetisch veld schommelen, wilden ze weten hoe hun bevindingen overeenkwamen met de theoretische waarde en zochten ze iemand die het kon berekenen.

Kinoshita was stomverbaasd door de grafiek, die hem deed denken aan aspecten van het onderzoek naar QED dat hij tijdens de oorlog met Tomonaga had uitgevoerd. Hij stopte met de rondleiding, ging naar de bibliotheek en werkte de rest van de nacht. De volgende ochtend keerde hij terug naar de Proton Synchrotron en zei tegen de experimentatoren: "Ik weet hoe!"

Het Muon g-2-experiment bij Fermilab

Het was opwindend werk, want het nummer was nauw verweven met de fundamenten van QED. Die theorie vat deeltjes op als draaiende magneten, met de verhouding van hun magnetische momenten tot hun spin bekend als g. In de eenvoudigste vorm van kwantummechanica, g heeft een waarde van precies 2. Maar de werkelijkheid moest anders zijn, want muonen worden getrokken door sporen van alle andere deeltjes – bekend en onbekend, leptonen en hadronen – die elk een kleine invloed hebben op de wiebeling.

Aangezien QED een blauwdruk was waarin alles was opgenomen wat theoretici wisten, was het verschil tussen de experimenteel bepaalde waarde van g en 2 hebben daarom de volledigheid en nauwkeurigheid van de gehele theoretische architectuur van QED gemeten. Met andere woorden, meten g-2 zou kunnen onthullen of die architectuur deugdelijk was, zelfs als het je niet de exacte locatie van een defect kon vertellen.

Eigenlijk, g-2 was zo fundamenteel voor QED dat als de natuur nieuwe fysica zou bevatten - deeltjes of krachten die nog niet ontdekt zijn, en dus niet in de theorie - ze zouden verschijnen als het verschil tussen de theoretisch voorspelde hoeveelheid en de waarde gemeten in experimenten. Zelden heeft het zin om alles uit de kast te halen bij het nastreven van berekeningen van een getal; niemand meet receptingrediënten tot op duizendsten van een gram of benzine tot miljardsten van een liter. Maar g-2 is anders. Uit het wiebelen van een muon kun je precisie halen.

De berekeningen waren echter ongelooflijk moeilijk, omdat ze onoplosbaar waren en dus moesten verlopen in een reeks opeenvolgende, steeds nauwkeurigere benaderingen. Bovendien moest elk nieuw ontdekt deeltje en elke kracht worden opgenomen. Natuurkundigen drukken deze complexiteit gewoonlijk uit in termen van de "Feynman-diagrammen" van elke mogelijke interactie, waarbij elk diagram overeenkomt met een reeks lange vergelijkingen, en Kinoshita moest er honderden en zelfs duizenden evalueren.

Als natuurkundigen zeggen dat QED de meest nauwkeurig berekende theorie in de geschiedenis van de wetenschap is, kunnen ze Kinoshita bedanken

Destijds werkte Kinoshita alleen en met de hand bij het rekenen g-2. Naarmate de jaren verstreken, nam hij meer helpers aan en gebruikte hij krachtigere computers. Kinoshita bracht uiteindelijk meer dan een halve eeuw door als pionier in het natuurkundige gebruik van supercomputers en werd een van hun grootste gebruikers toen hij zes, acht en vervolgens tien ordes van Feynman-diagrammen optelde om te berekenen g-2 steeds preciezer. Als natuurkundigen zeggen dat QED de meest nauwkeurig berekende theorie in de geschiedenis van de wetenschap is, kunnen ze Kinoshita bedanken.

Ondertussen werd een reeks van steeds grotere en nauwkeurigere experimenten gebouwd om de experimentele waarde met die van hem te vergelijken: een reeks van drie bij CERN, een in het Brookhaven National Laboratory en nog een bij Fermilab. Soms lagen de resultaten dicht bij het aantal van Kinoshita, waardoor natuurkundigen bang werden dat er geen nieuwe natuurkunde was, terwijl op andere momenten de resultaten zo ver verwijderd waren van de voorspelde waarde dat zowel experimentatoren als theoretici enthousiast waren.

Kinoshita werd een steeds spraakmakende natuurkundige als de go-to-person voor het begrijpen van de grondslagen van het standaardmodel van deeltjesfysica. In werkelijkheid, g-2 werd een steeds spraakmakender nummer, als 's werelds krachtigste versneller, de Large Hadron Collider, kwam steeds minder voor verrassingen te staan.

Ondanks dat hij in 1995 officieel met pensioen ging bij Cornell, bleef Kinoshita actief in de natuurkunde. In 2018, op 93-jarige leeftijd, publiceerde hij een paper in Fysiek overzicht D (97 036001) zijn berekening verfijnen g-2 tot de 10e orde. Zijn laatste paper - over de algemene theorie van g-2 berekeningen voor alle bestellingen - verscheen het volgende jaar in atomen (7 28). Zijn leerling en naaste medewerker Makiko Nio, van RIKEN onderzoekslaboratorium in Japan, is een van de natuurkundigen die het werk nu voortzet.

Het kritieke punt

Rustig, methodisch en nauwgezet, Kinoshita waardeerde altijd of zou bijdragen aan de humor in elke situatie. Op latere leeftijd leerden vrienden letten op het teken dat hij op het punt stond een geestige opmerking te maken: een bijna onmerkbare trekking in beide mondhoeken en een lichte verdieping van de rimpels eromheen. Uiteindelijk verhuisde Kinoshita met tegenzin weg van Cornell naar een huis in Amherst, Massachusetts, gebouwd door de architect Ray Kinoshita, een van zijn drie dochters.

Ze had voor zichzelf een huis ontworpen met een apart woongedeelte voor haar ouders, met shoji-schermen, open planken en een houten veranda die uitkijkt op het bos, vergelijkbaar met de woonvertrekken waaraan ze gewend waren. De Universiteit van Massachusetts maakte van Kinoshita een adjunct en gaf hem een ​​kantoor, waar hij bijna elke dag kwam opdagen totdat COVID toesloeg.

Bewonderende collega's stellen Kinoshita periodiek voor voor een Nobelprijs. Hij heeft het nooit ontvangen, zeker omdat zijn bijdragen, hoewel onmisbaar voor de hedendaagse natuurkunde, moeilijk te benoemen zijn. Natuurkundigen hebben echter enorm veel baat bij mensen als Kinoshita, die goed bekend zijn met de middelen, methoden en technieken die ten grondslag liggen aan hun vakgebied. Zulke natuurkundigen stuwen de discipline vooruit, maar kunnen niet gemakkelijk in een hokje worden geplaatst als ontdekkers of theorie-scheppers. Kinoshita was als een betrouwbare en betrouwbare ingenieur die je het vertrouwen geeft dat het huis waarin jij en je hele gemeenschap wonen niet zal instorten.

Masa stierf helaas vorig jaar, en Tom kort daarna. De twee zullen samen worden begraven in Ithaca, in de buurt van Cornell. Hun grafsteen is ontworpen door hun dochter Ray en door Ray's eigen dochter Emilia Kinoshita, een ontwerper en materiaalonderzoeker. Het bevat een mix van Feynman-diagrammen en Kumihimo patronen, die de diepste vormen en ritmes belichamen van de weerbarstige wereld die Masa en Tom doormaakten en verkenden.

spot_img

Laatste intelligentie

spot_img