Nobelpreis für Physik

Die gebrochene Symmetrie des Mikrokosmos

Von Manfred Lindinger
07.10.2008
, 17:39
Yoichiro Nambu, 1921 in Tokio geboren, ist emeritierter Professor an der Universität von Chicago und amerikanischer Staatsbürger.
Den Nobelpreis für Physik teilen sich drei Physiker, die den Symmetriebrüchen in der Arena der Grundkräfte und Elementarteilchen auf die Spur gekommen sind: Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi und Toshihide Masakawa.
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In der Welt regiert die Symmetrie, was man leicht an einer Blume oder beim Blick in einen Spiegel erkennen kann. Sogar die Psychologie wird von der Symmetrie bestimmt. So erscheint ein symmetrisches Gesicht attraktiver als ein asymmetrisches. Dennoch ist die Natur keineswegs symmetrisch aufgebaut. Ob Sterne oder Planeten, alles besteht aus Materie. Auf Antimaterie trifft man so gut wie nie. Lange hat man nach der Ursache gesucht, die diesem Ungleichgewicht zu Grunde liegt, das vor allem in der Physik der Elementarteilchen eine große Rolle spielt. Des Rätsels Lösung lieferte der Mechanismus der Symmetriebrechung, dem Yoichiro Nambu, Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa in den sechziger und siebziger Jahren auf die Schliche gekommen sind. Für ihre Verdienste ist den drei Theoretikern japanischer Abstammung der diesjährige Nobelpreis für Physik zuerkannt worden.

Ein kleiner Überschuss genügte

Unser Universum dürfte eigentlich gar nicht existieren. Denn beim Urknall, vor 13,7 Milliarden Jahren, ist ebensoviel Materie wie Antimaterie entstanden. Stoßen diese beiden Bestandteile zusammen, vernichten sie sich gegenseitig, und Strahlung entsteht. Dieser Prozess hätte innerhalb von Sekundenbruchteilen sowohl die Materie als auch die Antimaterie vollkommen vernichtet. Dass offenkundig ein geringer Teil an Materie übrig geblieben ist, hängt mit der Symmetrieverletzung in der Teilchenphysik zusammen.

Makoto Kobayashi, 1944 in Nagoya (Japan) geboren, ist emeritierter Professor am japanischen Forschungszentrum Kek.
Makoto Kobayashi, 1944 in Nagoya (Japan) geboren, ist emeritierter Professor am japanischen Forschungszentrum Kek. Bild: AP

Normalerweise sollten sich physikalische Prozesse nicht ändern, wenn sie spiegelverkehrt verlaufen und man gleichzeitig Teilchen durch Antiteilchen ersetzt, also eine Ladungsvertauschung vornimmt. Tatsächlich gehorchen drei der vier bekannten Naturkräfte - die Gravitation, die elektromagnetische und die starke Kernkraft - dieser Ladungsparitäts-Symmetrie (kurz CP-Symmetrie). Heute weiß man, dass nur die schwache Wechselwirkung, die für den radioaktiven Betazerfall verantwortlich ist, eine Ausnahme bildet.

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Symmetriebrechung bei schwacher Wechselwirkung

Dass die schwache Kraft sich nicht spiegelsymmetrisch verhält, zeigte bereits 1956 die chinesische Physikerin Chien-Shiung Wu von der Columbia University in New York am Betazerfall radioaktiver Kobaltkerne. Gleichzeitig wies man nach, dass sie auch asymmetrisch ist, wenn man Teilchen durch Antiteilchen vertauscht. Zunächst schien es so, als ob sich beide Symmetrieverletzungen gegenseitig aufheben würden und die Natur die CP-Symmetrie befolgte. Diese Hoffnung zerschlug sich jedoch 1964, als die späteren Nobelpreisträger James W. Cronin und Val L. Fitch am Brookhaven National Laboratory auf Long Island entdeckten, dass exotische, künstlich erzeugte Teilchen, sogenannte K-Mesonen - auch Kaonen genannt -, die CP-Symmetrie verletzen.

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Neutrale Kaonen bestehen aus einem Quark und seinem Antiteilchen, einem Antiquark, und damit aus einer Mischung von Materie und Antimaterie. Wenn die K-Mesonen in ihre Bestandteile zerfallen, unterscheidet sich das Ergebnis für Teilchen und Antiteilchen.

Vermehrung der Quarks

Die Theoretiker haben lange gerätselt, wie es zu einer solchen Verletzung der elementaren Symmetrien kommen kann. Eine Antwort lieferten Makoto Kobayashi und Toshihide Masakawa 1974. Sie konnten zeigen, dass die CP-Verletzung eine "natürliche" Folge ist, wenn man das bis dahin aus drei Quarks bestehende Standardmodell der Teilchenphysik auf sechs Quarks erweitert. Das war zunächst kühn, waren doch damals nur das Up- und Down-Quark sowie das Strange-Quark bekannt. Gewißheit bekamen die Teilchenphysiker, als das Charm-Quark (1974), das Bottom-Quark (1977) und zuletzt, 1995, das Top-Quark entdeckt wurden. In der Teilchenphysik ist die Materie-Antimaterie-Asymmetrie eines der heißesten Gebiete. Statt der Kaonen untersuchen die Physiker die schwereren B-Mesonen, da hier der Effekt stärker ausgeprägt ist.

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Der dritte Preisträger, Yoichiro Nambu, kam der Symmetriebrechung auf die Spur, als er sich einem anderen Gebiet der Physik widmete, der Supraleitung. Geht ein normal leitendes Material in die supraleitende Phase über, in der der elektrische Strom ohne Widerstand fließt, ändert sich die Ordnung des Systems. Alle Leitungselektronen sammeln sich unterhalb einer bestimmten Temperatur im tiefstmöglichen Zustand - der zwar geordnet, aber weniger symmetrisch als der normal leitende Zustand ist. Nambu übertrug dieses Prinzip der spontanen Symmetriebrechung auf die Teilchenphysik und ebnete damit den Weg zum Standardmodell, der Theorie, die den Aufbau der Materie erklärt.

Yoichiro Nambu, 1921 in Tokio geboren, ist emeritierter Professor an der Universität von Chicago. Er ist amerikanischer Staatsbürger. Makoto Kobayashi, 1944 in Nagoya (Japan) geboren, ist emeritierter Professor am japanischen Forschungszentrum Kek. Toshihide Masukawa, 1940 in der Präfektur Aichi geboren, ist emeritierter Professor an der Universität Kioto.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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