Nobelpreis für Physik 2008: Von Quarks und Symmetrien - wissenschaft.de
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Nobelpreis für Physik 2008: Von Quarks und Symmetrien

Der Nobelpreis für Physik geht in diesem Jahr zum einen Teil an den in Japan geborenen US-Amerikaner Yoichiro Nambu, früher am Enrico-Fermi-Institut der Universität Chicago, für seine fundamentalen Berechnungen zur Symmetrie und deren spontaner Brechung bei subatomaren Teilchen. Die zweite Hälfte des Preises teilen sich die theoretischen Physiker Makoto Kobayashi von der Hochenergie-Beschleunigerorganisation in Tsukuba und Toshihide Maskawa von der Universität in Kyoto ebenfalls für Symmetrieüberlegungen bei Elementarteilchen, die später zur Entdeckung weiterer Quarks geführt haben. Das Preisgeld liegt bei umgerechnet einer Million Euro.

Die drei theoretischen Physiker beschäftigen sich mit den grundlegenden Bausteinen, aus denen unsere Welt zusammengesetzt ist. Dazu zählen Elektronen und Atomkerne, die wiederum aus Protonen und Neutronen bestehen. Wenn Wissenschaftler noch genauer hinsehen, etwa indem sie diese Teilchen aufeinanderschießen und die Kollisionsbruchstücke untersuchen, zeigt sich, dass Protonen und Neutronen ebenfalls aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt sind ? die Forscher tauchen in die Welt der sogenannten Quarks ein. In dieser Welt spielen Symmetrien und ihre Aufhebung oder Verletzung eine entscheidende Rolle.

Ein herausragendes Beispiel für solche Symmetrieverletzungen ist die Tatsache, dass wir überhaupt existieren. Beim Urknall müssten nämlich genauso viele Materieteilchen wie Antiteilchen erzeugt worden sein, die sich gegenseitig sofort vollständig hätten auslöschen müssen. Dass genau das nicht geschah und unsere Welt übrig blieb, ist eben der Symmetriebrechung zu verdanken.

Auf ein weiteres Beispiel für eine solche Symmetriebrechung stießen Forscher im Jahr 1964. Damals stellt sich heraus, dass sich die als neutrale Kaonen bezeichneten Teilchen beim radioaktiven Zerfall nicht an die bislang angenommenen Symmetriegesetze hielten. Für die Entdeckung dieser Symmetriebrechung erhielten 1980 zwei US-Amerikaner den Physiknobelpreis. Acht Jahre nach der Entdeckung, im Jahr 1972, gelang es den beiden Japanern Makoto Kobayashi, geboren 1944, und Toshihide Maskawa, Jahrgang 1940, dieses Phänomen zu erklären: In einem komplizierten Mechanismus transformiert sich das Kaon ständig in sein Antiteilchen, das Anti-Kaon.

Während sich das Kaon aus dem Strange-Quark und dem Anti-Down-Quark zusammensetzt, besteht das Anti-Kaon aus Down und Anti-Strange. Die komplexe Umwandlung setzt aber die Existenz weiterer Quarks voraus. Diese haben die Namen Charm, Bottom und Top und ihre Existenz wurde später in den Jahren 1974, 1977 und 1994 in Experimenten nachgewiesen. Für die Erklärung der Symmetriebrechung des Kaons, die auf die Existenz weiterer Quarks hinwies, erhalten die beiden Physiker den Nobelpreis, teilt das Nobelkomitee in Stockholm mit.

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Grundlegende Symmetriefragen beschäftigten auch den 1921 geborenen Yoichiro Nambu. Physiker gehen nämlich davon aus, dass mit dem Urknall und den ersten Atemzügen der Welt alle Materie und Kräfte schön ordentlich und gleichmäßig verteilt waren. Woher rührt es dann, dass das schwerste Quark, das Top-Quark, rund 300.000-mal so schwer ist wie das Elektron? Wieso sind die starke Kernkraft, die schwache radioaktive Kraft oder die elektromagnetische Kraft so unterschiedlich? Im Jahr 1960 übertrug Yoichiro Nambu grundlegende physikalische Rechentechniken, die er aus seiner Beschäftigung mit Supraleitern gewonnen hatte, auf die Elementarteilchenphysik. Sie erklären, wie und warum diese Symmetriebrechung plötzlich auftritt. Dafür erhält er den diesjährigen Physiknobelpreis, erklärt das Nobelkomitee.

Die spontane Symmetriebrechung spielt insbesondere für die Masse der Elementarteilchen eine Rolle. Kurz nach dem Urknall veränderte sich das sogenannte Higgsfeld in charakteristischer Weise und wies jedem Teilchen ? vom Elektron bis zu den Quarks, die Protonen und Neutronen aufbauen ? seine heutige Masse zu. Mit dem großen Elementarteilchenbeschleuniger LHC des CERN bei Genf, der sich gerade in einer Zwangspause befindet, wollen Wissenschaftler das Higgsteilchen als Repräsentant des Higgsfelds ausfindig machen. Möglicherweise entdecken sie gleich mehrere, verschiedene Higgsteilchen. In jedem Fall müssen auch die neu gefundenen Teilchen den physikalischen Symmetrien und ihrer Verletzungen gehorchen.

Martin Schäfer
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Vil|la|nel|la  〈[vıl–] f.; –, –nel|len; 16. Jh.; Mus.〉 = Villanelle

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