Physik-Nobelpreis für „farbige“ Entdeckung im Reich der Quarks

Was sind die kleinsten Bausteine der Materie? Welche Kräfte wirken in der Natur und wie funktionieren sie? Diese fundamentalen Fragen der Physik haben theoretische und experimentelle Physiker während des gesamten 20. Jahrhunderts beschäftigt und tun dies bis in die Gegenwart hinein. Jetzt hat das Nobelpreiskomitee in Stockholm den diesjährigen Nobelpreis für Physik drei theoretischen Physikern zuerkannt, die einen entscheidenden Beitrag zur Lösung dieser grundlegenden Fragen geleistet haben.

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Die Forscher David Gross von der Universität von Kalifornien in Santa Barbara, David Politzer vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena und Frank Wilczek vom Massachussetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge haben durch ihre theoretischen Berechnungen dazu beigetragen, das Verständnis einer der fundamentalen Kräfte der Natur, der so genannten starken Wechselwirkung, zu erweitern und die Voraussetzungen für das Standardmodell der Teilchenphysik geschaffen. Die starke Wechselwirkung, auch „Farbladung“ genannt, wirkt im Atomkern zwischen den Quarks, aus denen die Protonen und Neutronen des Kern bestehen.

Die Entdeckung der Nobelpreisträger schien, als sie sie in den 1970er Jahren machten, zunächst wider alle Naturgesetze: Die mathematische Berechnung ergab, dass die Kraft auf die Quarks mit zunehmender Nähe nicht etwa stärker, sondern schwächer wirkte. Wenn die Quarks sehr nah aneinander lagen, wurde die Bindungskraft zwischen ihnen so schwach, dass die Quarks sich wie fast freie Teilchen verhielten. Dieses Phänomen wird heute auch als „asymptotische Freiheit“ bezeichnet und ist vergleichbar den Eigenschaften eines Gummibandes: Je weiter die Enden des Bandes auseinandergedehnt werden, desto stärker ist das Gummi gespannt, je näher die Enden, desto schlaffer das Band.

Die drei Physiker Gross, Politzer und Wilczek fassten diese Entdeckung 1973 in einem mathematischen Rahmen zusammen, der zu einer vollständig neuen Theorie in der Physik führte, der „Qantenchromodynamik“ (QCD).Diese Theorie ist einer der entscheidende Bausteine des physikalischen Standardmodells, das alle Phänomene beschreibt, die mit der zwischen geladenen Teilchen wirkenden elektromagnetischen Kraft, mit der schwachen Wechselwirkung und der zwischen den Quarks wirkenden starken Wechselwirkung zusammenhängen. Mithilfe der QCD können Physiker beschreiben, warum sich Quarks nur bei extrem hoher Energie wie freie Teilchen verhalten und sonst in den Protonen und Neutronen immer als Triplets auftreten.

Gleichzeitig ist die Formulierung der asymptotischen Freiheit und der Quantenchromodynamik auch ein wichtiger Schritt hin zum großen Ziel der heutigen Physik, der großen einheitlichen Feldtheorie. Eine Theorie, die neben den bisher im Standardmodell erfassten Kräften auch die Gravitation erklärt, gibt es bisher noch nicht, sie könnte aber eines Tages, so die Hoffnung der Physiker, gefunden werden.

(Karolinska Institutet, 06.10.2004 – NPO)