Nobelpreis für Physik: Die Retter der Symmetrie

Der Nobelpreis für Physik geht an drei Theoretische Physiker - sie halfen, die Welt der Elementarteilchen zu kitten.

Das Nobelpreis-Komitee der Schwedischen Akademie der Wissenschaften wagt sich mit der Auszeichnung der diesjährigen Physik-Laureaten tief in die Eingeweide der Theoretischen Physik.

Prämiert werden die beiden Japaner Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa mit je einem Viertel des Preisgeldes von umgerechnet gut einer Million Euro sowie der 1921 in Tokio geborene US-Amerikaner Yoichiro Nambu, dem die Hälfte des Preises zugesprochen wurde.

Alle drei Wissenschaftler haben wichtige mathematische Gerüste aufgestellt, die geeignet sind, die Zusammenhänge zwischen den Urbausteinen des Universums besser zu erklären und manches Rätsel zu lösen, das der Kosmos der Elementarteilchen seinen Erforschern aufgibt.

Generell sind Wissenschaftler ebenso wie Normalmenschen von Symmetrien fasziniert. Man weiß aus der Psychologie, dass Menschen andere attraktiver finden, wenn Gesichter symmetrisch geschnitten sind. Und bereits in der Antike wurden die Platonischen Körper als Grundelemente aller geometrischen Formen verehrt.

Auch Physiker lieben Symmetrien. So ist beispielsweise die gesamte Newtonsche Mechanik darauf aufgebaut. Ein Zusammenstoß zweier Autos führt physikalisch (nicht juristisch wohlgemerkt) zum gleichen Ergebnis, egal ob ein Fahrzeug mit 50 km/h vorwärts auf das andere auffährt oder das andere rückwärts mit der gleichen Geschwindigkeit aufprallt.

Aus solchen Symmetrien folgern Physiker wichtige Naturgesetze, im genannten Beispiel ist es die Impulserhaltung. Eine weitere eherne Regel ist die Ladungserhaltung: Wenn in einem Teilchenbeschleuniger Partikel aufeinanderprallen, so muss die gesamte elektrische Ladung der Endprodukte des Zusammenstoßes der der Anfangsteilchen entsprechen.

Viele solche, oft noch weitaus komplexere Symmetrien spielen in der Physik der vergangenen Jahrzehnte eine zentrale Rolle. Eine Reihe sensationeller Entdeckungen ist allein dadurch gelungen, dass eine Symmetrie auf mathematische Weise formuliert wurde. So wurde beispielsweise die Existenz von Antimaterie zunächst auf rein mathematischem Wege vorhergesagt, lange bevor Experimentalphysiker die entsprechenden Partikel tatsächlich entdeckten.

Allzu oft müssen Physiker jedoch feststellen, dass die sichtbare und messbare Natur überaus sperrige Asymmetrien aufweist. So ist es bis heute ein großes Rätsel, warum die Bausteine des Universums, die so genannten Elementarteilchen, sehr unterschiedliche Massen haben. Das Proton beispielsweise, eines der beiden Bestandteile von Atomkernen, bringt 1836-mal so viel Masse auf die Waage wie ein Elektron, das den Atomkern umkreist.

Einen Ausweg aus solchen Ungereimtheiten bietet die Theorie der so genannten "spontanen Symmetriebrechung". Sie könnte die unterschiedlichen Massen der Elementarteilchen erklären, allerdings hat sie ihren Preis: Die mathematische Lösung funktioniert nur, wenn ein weiteres, bisher unentdecktes Partikel existiert, das "Higgs"-Teilchen. Das müssen Physiker aber erst noch finden - zum Beispiel mit dem neuen Teilchenbeschleuniger am Europäischen Kernforschungszentrum Cern, der nach seiner Einweihung vor wenigen Wochen zurzeit repariert wird.

Ein weiteres Beispiel für Symmetriebrechung in der Physik ist das Missverhältnis von Materie und Antimaterie im Weltall: Warum entstand aus der Energie des Urknalls viel mehr Materie als Antimaterie? Dieser Frage verdankt die Menschheit ihre Existenz, denn gäbe es genauso viel Materie wie Antimaterie im Universum, so hätten sich diese beiden Daseinsformen von Masse bereits in einem kolossalen Feuerwerk gegenseitig ausgelöscht.

Es war das Verdienst des diesjährigen Nobelpreisträgers Yoichiro Nambu, gebrochene Symmetrien in der Natur mathematisch beherrschbar zu machen. Angetrieben wurde er in den 1950er- und 60er-Jahren unter anderem von der schier überwältigenden Zahl ständig neuer Partikel, die in den Beschleunigeranlagen der Physiker auftauchten. Eine mathematische Theorie musste damals her, um diesen "Teilchenzoo" zu sortieren.

Das gelang schließlich, indem man feststellte, dass die bis dahin für elementar gehaltenen Atombausteine, das Proton und das Neutron, ihrerseits aus drei kleineren Partikeln bestehen, den so genannten Quarks. Diese bis heute als Elementarbausteine geltenden Teilchen unterliegen einer eleganten mathematischen Symmetrie.

Doch das seinerzeit entstehende Standardmodell der Elementarteilchen, mithin der Versuch, sämtliche Materie und alle Kräfte des Universums in einer Theorie zu vereinigen, ist bis heute nicht fertiggestellt. In den vergangenen Jahrzehnten bekam es durch neue Experimente ständig neue Risse. Nach und nach mussten die Physiker feststellen, dass der Mikrokosmos der Elementarteilchen sogar Symmetrieregeln nicht einhält, die zuvor von Theoretikern als unantastbar angesehen wurden.

Die Verunsicherung erreichte in den 1960er-Jahren einen Höhepunkt, als erkannt wurde, dass sogar die sogenannte "CP-Symmetrie" verletzt ist. Das bedeutete plötzlich: Eine Welt aus Materie und eine angenommene Spiegelwelt aus Antimaterie funktionieren unterschiedlich. Zuvor waren Physiker sicher, dass diese beiden Materieformen lediglich exakte Spiegelbilder darstellen.

Die CP-Symmetriebrechung wurde 1964 in einem Teilchenexperiment nachgewiesen. Erst 1972 jedoch begannen die beiden Forscher Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa von der Universität Kyoto, eine Lösung für diese Asymmetrie zu entwickeln. Sie formulierten eine Theorie, aus der folgte, dass Quarks, also die elementaren Bausteine aller Atomkerne, nie in Reinform, sondern stets als Mischungen verschiedener Quark-Familien auftreten. Dieses mathematische Konstrukt erforderte die Existenz weiterer Quark-Arten, die erst in den Jahren und Jahrzehnten nach Kobayashis und Maskawas Arbeit entdeckt wurden.

Yoichiro Nambu und seine beiden jüngeren Kollegen haben der modernen Physik insofern wertvolle Dienste erwiesen, als sie mathematisches Krisenmanagement betrieben und halfen, zerbrochene Symmetrien wieder zu kitten. Von dem Ziel, die gesamte Welt der Elementarteilchen und die vier bekannten Urkräfte des Universums in ein mathematisch abgeschlossenes und symmetrisch-elegantes Formelwerk zu gießen, sind Physiker allerdings bis heute weit entfernt.

Auf zunehmend mühsame (und gelegentlich schon als "esoterisch" beschimpfte) Weise müssen Physiker mittlerweile mathematische Konstrukte ersinnen, die die Arbeiten der Nobelpreis-Laureaten des Jahres 2008 fast schon simpel wirken lassen. Die weltweite Gemeinde der Theoretischen Physiker, die heute als Nachfahren von Nambu, Kobayashi und Maskawa die Symmetrien dieser Welt noch retten kann, umfasst nur noch wenige hundert Köpfe.