Physik-Nobelpreis für Symmetriebruch

Der diesjährige Nobelpreis für Physik geht an drei Forscher, denen wir grundlegende Erkenntnisse über die Welt der kleinsten Teilchen verdanken. Toshihide Maskawa und Makoto Kobayashi entdeckten den so genannten Symmetriebruch und schlossen daraus auf die Existenz von mindestens drei Familien von Quarks, Yoichiro Nambu entdeckte den Mechanismus des spontanen Symmetriebruchs in der subatomaren Physik.

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Das Standardmodell der Physik mit seinen drei „Familien“ von Elementarteilchen gilt bis heute als die Basis unseres Weltbilds. Doch noch vor seiner endgültigen Fertigstellung wäre es beinahe gescheitert. Die Physiker hatten die Gesetze der Symmetrie eins zu eins in die Teilchenwelt übertragen. Ihrer Ansicht nach musste es demnach zu jedem, damals nur in einer Familie zusammengefassten Teilchen ein Antiteilchen geben, das sich in maximal in einer Eigenschaft – entweder der Ladung oder der Ausrichtung – asymmetrisch verhielt.

Kobayashi und Maskawa: „Familienbildung“ löst Symmetrieproblem

Doch bestimmte Phänomene konnte der damalige Versuch, die bekannten oder postulierten Teilchen in ein System zu bringen, nicht erklären. Der Zerfall eines „Kaon“ genannten Teilchens schien die Symmetriegesetze zu durchbrechen, indem es gleichzeitig die Spiegel- und die Ladungssymmetrie durchbrach, wie 1964 nachgewiesen.

Erst die beiden jungen Physiker Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa von der Universität von Kyoto kamen 1972 auf die Lösung: Sie postulierten, dass es im Standardmodell nicht eine sondern drei Familien von Quarks geben muss. Die sichtbare Welt besteht nur aus Quarks der ersten Familie, den up- und down-Quarks, doch für uns unsichtbar existieren noch vier weitere Quark-Sorten, die sich jeweils innerhalb ihrer Familie ineinander umwandeln können und durch diese Prozesse die Symmetriebrüche erklären. Dass die beiden Physiker Recht hatten, hat sich inzwischen durch Experimente in Teilchenbeschleunigern bestätigt. Das charm-Quark wurde 1974 entdeckt, das bottom-Quark 1977 und das top- Quark sogar erst 1994.

Nambu: Symmetriebruch am Anfang des Universums

Doch die Teilchenwelt warf noch eine Frage auf: Woher kamen die gewaltigen Massenunterschiede zwischen den Teilchen? Und welche Kraft verleiht den Partikeln überhaupt ihre Masse? Die Erklärung hierfür lieferte Yoichiro Nambu, Physiker am Enrico Fermi Institut der Universität von Chicago im Jahr 1960. Seiner Theorie nach liegt der Ursprung der Massenunterschiede in der Phase unmittelbar nach dem Urknall: Am allerersten Anfang war das Kräftefeld, das so genannte Higgs-Feld, symmetrisch, keines der Teilchen besaß eine Masse. Doch ähnlich wie ein Bleistift, der auf seiner Spitze steht, war dieses Feld nicht stabil und kippte beim Abkühlen des Universums auf einen Zustand des niedrigsten Energieniveaus. Damit verschwand auch die Symmetrie. D

Die Teilchen nahmen jeweils unterschiedliche Mengen des Feldes in sich auf und erhielten dadurch unterschiedliche Massen. Diese Theorie von Nambu bildete ebenfalls einen wichtigen Grundstein für das Standardmodell und die Vereinigung der kleinsten Teilchen mit drei der vier Grundkräfte der Natur. Ob es das Higgs-Teilchen, den Überträger der Schwerkraft und damit der Masse tatsächlich gibt, muss noch experimentell bewiesen werden. Physiker hoffen hier auf den Teilchenbeschleuniger LHC am CERN in Genf, der in diesem Jahr in Betrieb genommen worden ist.

(Nobel Foundation, 07.10.2008 – NPO)