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Der Nobelpreis für Physik

Von Ulrich Schnabel

Drei japanischstämmige Physiker erhalten den Nobelpreis für die Erklärung, warum unsere Welt so asymmetrisch ist.

Der Nobelpreis für Physik© CERNAuf der Suche nach dem Higgs-Boson: ATLAS
Das Spannendste an den Entscheidungen des Nobelkomitees ist oft die Frage: Warum wird gerade jetzt dieser oder jener Forscher ausgezeichnet? Warum etwa geht der diesjährige Physikpreis ausgerechnet an drei Japaner, deren Arbeiten dreißig bis vierzig Jahre zurückliegen? Und warum wird nun der 87- jährige Yoichiro Nambu ins Rampenlicht gerückt, der die Hälfte des Preisgelds erhält?

Die Antwort erschließt sich, wenn man an das wichtigste physikalische Ereignis dieses Jahres denkt: an die Inbetriebnahme des Teilchenbeschleunigers LHC am Forschungszentrum Cern in Genf. Denn dort wird unter anderem das Higgs-Teilchen gesucht, dessen Existenz erklären soll, wie die Masse in die Welt kommt (ZEIT Nr. 37/08). Und der Mann, der die entscheidenden Vorarbeiten zur Entdeckung des Higgs-Mechanismus geleistet hat, ist - Yoichiro Nambu.

Ohne dessen theoretische Überlegungen, so bekannte der Physiker Peter Higgs kürzlich im Gespräch mit der ZEIT, wäre er niemals auf den Gedanken gekommen, die nach ihm benannte Theorie aufzustellen. So gesehen, kann man sagen, dass sich das Nobelkomitee quasi schon einmal warmläuft für die endgültige Entdeckung des Higgs-Teilchens, die man sich vom LHC erhofft. Und bevor dann, aller Voraussicht nach, Peter Higgs den Nobelpreis erhält, zeichnet man nun noch schnell den Mann aus, dem der schottische Physiker seinen genialen Einfall verdankt.

Symmetrie schien auch für Physiker lange Zeit gleichsam gottgegeben


Bei der diesjährigen Nobel-Entscheidung in der Disziplin Physik geht es allerdings nicht nur um das Higgs-Teilchen, sondern auch um eine sehr viel grundlegendere Frage: Warum existiert überhaupt etwas und nicht einfach nichts? Anders gefragt: Wie kommt es, dass aus einem höchst symmetrischen Urknall unsere asymmetrische Welt entstand, in der es Materie und leeren Raum gibt, oben und unten, links und rechts? Diese Frage hat nicht nur Nambu umgetrieben, sondern auch Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa, die sich nun mit ihm den Nobelpreis teilen.

Sie alle haben sich mit dem Phänomen der Symmetrie beschäftigt, das für die Physiker lange Zeit gleichsam gottgegeben schien. Jahrhundertelang regiert in ihren Gleichungen die Vollkommenheit der Symmetrie. Auf den himmlischen Bahnen hielten sich Massenanziehung und Fliehkraft der Planeten die Waage, in der irdischen Mechanik herrschte Isaac Newtons Devise "actio = reactio", und in der Mikrowelt der Elementarteilchen stimmten die Gleichungen selbst dann noch, wenn man darin die Zeit rückwärts laufen ließ. Symmetrieüberlegungen führten Albert Einstein 1905 zu seiner Relativitätstheorie und animierten 1928 den Theoretiker Paul Dirac, neben der gewöhnlichen Materie noch eine "Antimaterie" zu postulieren - Teilchen mit derselben Masse, aber umgekehrter Ladung wie die gewöhnlichen irdischen Partikel. Tatsächlich wurden solche "Antiteilchen" einige Jahre später entdeckt. Der Physiker Carl Anderson, der die aus dem All herunterregnende kosmische Strahlung analysierte, stieß dabei auf einen bizarren Zwilling des Elektrons, ausgerüstet mit derselben Masse, jedoch umgekehrter Ladung: ein Positron. Seither gehört die Antimaterie zum festen Repertoire des physikalischen Weltbildes und der Science-Fiction-Autoren.
Auch die naturwissenschaftliche Schöpfungsgeschichte beruht auf der Symmetrie. Demzufolge war der Big Bang ein allgewaltiger, höchst symmetrischer Energieblitz. Erst später "gefror" daraus gewissermaßen die Materie - und zugleich die Antimaterie. Ohne dieses negative Gegenstück kommt nämlich keine symmetrische Schöpfung aus. Das merkt jedes Kind, das im Sandkasten einen Berg aufhäufen will: Dazu muss notgedrungen an anderer Stelle ein Loch entstehen. So ähnlich, meinen die Kosmologen, habe es sich auch mit Materie und Antimaterie verhalten.

Doch kaum war die physikalische Schöpfungsgeschichte perfekt, schlich sich der Zweifel in die ästhetische Theorie. Schließlich ist heute im All die Antimaterie ausgestorben. Nur in den Teilchenschleudern der Hochenergielabors lässt sie sich für kurze Zeit erzeugen. Eine natürliche Existenz scheint ihr versagt. Warum?

Die ersten Hinweise darauf fanden die Physiker in den fünfziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts. War man bis dahin selbstverständlich davon ausgegangen, dass sich fundamentale physikalische Prozesse nicht ändern, wenn sie spiegelbildlich betrachtet wurden, zeigte sich nun, dass der radioaktive Zerfall von Kobalt mitnichten spiegelsymmetrisch ist. Zerfällt ein Kobaltkern, sendet er ein Elektron in eine bevorzugte Richtung aus. "Es ist, als würde man vor dem Stockholmer Hauptbahnhof stehen und sehen, dass alle Menschen links herauskommen", schreibt das Nobelpreiskomitee in seiner Erklärung.

"Diese Entdeckung änderte das intellektuelle Klima in der Grundlagenphysik", sagt rückblickend der Wissenschaftshistoriker Helge Kragh. Das Jahr 1956 war damit für die Physik in etwa das, was 1968 für die westlichen Gesellschaften war: altvertraute Gewissheiten wurden infrage gestellt, geliebte Gewohnheiten radikal über Bord geworfen, neue Modelle erprobt.

Bald wiesen Physiker nach, dass auch die sogenannte Ladungssymmetrie verletzt ist - auf einem Planeten, der komplett aus Antimaterie bestünde, gälten demnach andere Gesetze als auf unserem. An einen letzten Strohhalm klammerten sich die Physiker: Wenn sowohl die Spiegelals auch die Ladungssymmetrie verletzt war, blieb dann vielleicht die Kombination aus beiden erhalten? Wären in einer spiegelverkehrten Antiwelt die Naturgesetze letztlich doch dieselben?

Die Hoffnung hielt nicht lange. Ein unscheinbares Elementarteilchen namens Kaon brachte sie zu Fall. 1964 beobachteten James Cronin und Val Fitch, dass gewisse seltene Zerfallsprozesse des Kaons auch diese Doppelsymmetrie verletzten - in einer spiegelverkehrten Antiwelt würden demnach tatsächlich andere Gesetzmäßigkeiten gelten.

Doch damit deutete sich die Lösung des Rätsels an, warum im Universum heute die Materie überwiegt: Wenn nämlich für Materie und Antimaterie nicht exakt dieselben Gesetze gälten, so könnte diese kleine Asymmetrie erklären, warum im frühen Universum die Materie etwas bessere Startchancen hatte. Unsere ganze Existenz beruhte damit auf einer (wenn auch kleinen) kosmischen Imperfektion - irgendwie tröstlich.

Bei den Elementarteilchen geht es zu wie in jeder schlechten Familie


Physiker geben sich mit solch philosophischen Betrachtungen natürlich nicht zufrieden, sondern suchen nach pragmatischeren Erklärungen. Zumindest im Falle des Kaons fanden Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa 1972 eine solche: Ihnen zufolge ließ sich das asymmetrische Verhalten des Kaons erklären, wenn man annahm, dass es noch neue, unbekannte Bausteine der Materie gäbe, die darauf einwirkten.

Zwar basiert die Theorie der beiden Japaner auf höchst abstrakten mathematischen Prinzipien, doch mit etwas Fantasie kann man sie als die "Theorie der fremden Onkels" verständlich machen: Man stelle sich dazu eine Familie (die Elementarteilchen) vor, deren eines Mitglied (das Kaon) ein bizarres Verhalten aufweist. Nachdem man lange vergeblich den Grund für dieses Verhalten gesucht hat, stellt man irgendwann fest, dass dahinter zwei noch unbekannte Onkel stecken, die mit diesem Familienmitglied brieflich in Kontakt stehen und gleichsam aus der Ferne ihren schädlichen Einfluss ausüben.
So ähnlich jedenfalls lautete Kobayashis und Maskawas Ansatz - mit dem Unterschied, dass sie keine "Briefe" der fremden Onkel abfingen, sondern, umgekehrt, aus dem Verhalten des Kaons auf diese rückschlossen. Sie postulierten einfach, dass es in der Teilchenfamilie noch zwei weitere, bis dato unbekannte Vertreter mit ganz bestimmten Eigenschaften geben müsse - und deren Einfluss rufe die Symmetriebrechung beim Kaon hervor. Das klingt nach einer gewagten Spekulation, doch die Japaner behielten recht: Tatsächlich wurden einige Jahre später das sogenannte Topund das Bottom-Quark in Teilchenbeschleunigern entdeckt, die "fremden Onkel" zeigten ihr Gesicht.

Damit schienen alle Mitglieder der Teilchenfamilie beieinander, das "Standardmodell" der Teilchenphysik war komplett. Für Außenstehende mag es (wie jede fremde Familienordnung) auf den ersten Blick verwirrend erscheinen, für Physiker ist es jedoch äußerst überschaubar. Dem Standardmodell zufolge ist unsere Welt aus insgesamt 17 Bausteinen aufgebaut: 12 Materieteilchen (zu denen das Elektron, das Neutrino und die Quarks zählen); dazu kommen vier Austauschteilchen, die die verschiedenen physikalischen Kräfte vermitteln; und dann gibt es noch ein ganz spezielles Teilchen, das allen anderen ihre Masse verleiht - das sogenannte Higgs- Boson, das bis heute vergeblich gesucht wird.

An dieser Stelle kommt Yoichiro Nambu ins Spiel. Denn seinen Arbeiten ist es zu verdanken, dass heute überhaupt vom Higgs-Teilchen die Rede ist. Auch Nambu beschäftigte sich mit Symmetrien, allerdings zunächst im speziellen Fall mit der Supraleitung. Dabei entwickelte er einen mathematischtheoretischen Apparat, mit dem sich sogenannte spontane Symmetriebrechungen beschreiben lassen. Als Beispiel für eine solche Symmetriebrechung führt das Nobelkomitee einen auf seiner Spitze balancierenden Bleistift an, der einen Zustand hoher Symmetrie darstellt. Wenn er plötzlich umfällt und auf der Seite liegt, ist die Symmetrie gebrochen, doch sein energetischer Zustand ist stabiler. Diesen Grundgedanken - dass der stabilste Zustand meist derjenige mit einer gebrochenen Symmetrie ist - entwickelte Nambu theoretisch weiter und zeigte, dass sich damit das Verhalten supraleitender Teilchen erklären lässt.

Seine Theorie ist heute gut bestätigt - was man von der theoretischen Weiterentwicklung des Peter Higgs noch nicht sagen kann. Higgs übertrug Nambus Ansatz auf Elementarteilchen allgemein. Deren Massen gelten bis heute als das große Rätsel der Physik: Warum sind sie so unterschiedlich? Warum etwa ist das Top-Quark mehr als dreihunderttausendmal so schwer wie das Elektron? Und warum haben die Teilchen überhaupt eine Masse?

Die von Higgs und anderen entwickelte Theorie sagt dazu etwa Folgendes: Diese Massen sind das Ergebnis einer Symmetriebrechung, und zwar kurz nach dem Urknall. Zunächst habe im Big Bang ein Zustand höchster Energie und Symmetrie geherrscht - doch als das Universum abkühlte, brach die Symmetrie, und es entstand eine Art Schwerefeld, in dem sich die einzelnen Elementarteilchen wie in einem zähflüssigen Sirup verfingen. Dieses hypothetische Feld wird heute Higgs-Feld genannt, und der »Sirup« wäre nichts anderes als die Masse, die gewissermaßen an den einzelnen Teilchen "klebt".

Klingt alles hoch spekulativ? Ist es auch. Ob das Higgs-Feld wirklich existiert und ob es wirklich der Sirup der Masse ist - all das müssen nun erst die Experimente mit dem Teilchenbeschleuniger LHC klären. Derzeit liegt der Riesenring allerdings nach einer technischen Panne erst einmal still; frühestens im Frühjahr ist ein Neustart anvisiert. Wenn die Physiker in Genf dann wirklich fündig werden, regnet es bestimmt weitere Nobelpreise. Bleibt die Suche der Experimentatoren allerdings erfolglos, bricht das ganze schöne Theoriegebäude, das da in den vergangenen Jahren gezimmert wurde, zusammen. Für Leute vom Schlage Nambus, Kobayashis und Maskawas wäre das allerdings ein Segen: Denn dann sind neue theoretische Erklärungen für das Unerklärliche gefragt.

Erfahren Sie hier mehr über die Gehalts- und Karriereaussichten von Physikern.

Aus DIE ZEIT :: 09.10.2008

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