Physik-Nobelpreis für Broken Symmetries

Ein Beitrag von Michael Leissner
(Arbeitsgruppe Feldtheorie, Institut für Physik, Universität Oldenburg)   

Symmetrien in der Natur haben die Menschheit von jeher fasziniert. Zunächst vor allem wegen ihrer Ästhetik bewundert, wurden sie später genutzt, um mathematische Beschreibungen der Natur zu vereinfachen. Im 19. Jahrhundert kam es jedoch zu einem Umdenken in der Physik, das Symmetrien über den Status eines reinen mathematischen Hilfsmittels hinaus hob. Die Forderung, dass Naturgesetze grundsätzlich hochgradig symmetrisch zu formulieren sind, ist praktisch DER Grundpfeiler der modernen Physik. Große Bereiche der Physik lassen sich durch die Annahme symmetrischer Naturgesetze hervorragend beschreiben.

Doch gegen Mitte des 20. Jahrhunderts legten experimentelle Befunde aus der Elementarteilchenphysik nahe, dass die Natur anscheinend doch nur näherungsweise die Symmetrien aufweist, von denen die Fachwelt zuvor überzeugt war.

Der diesjährige Nobelpreisträger Yoichiro Nambu war maßgeblich daran beteiligt, einen Ausweg aus diesem Dilemma zu finden. Er zeigte 1960, dass auch Feldtheorien, wie sie zur Beschreibung von Elementarteilchen verwendet werden, sich dazu eignen, "spontane Symmetriebrechung" zu zeigen. Bei diesem in der Festkörperphysik schon länger verwendeten Konzept gehen die Wissenschaftler davon aus, dass die Naturgesetze selbst die geforderten Symmetrien besitzen, die Natur sich innerhalb dieses symmetrischen Regelwerks aber einen Zustand geringerer Symmetrie aussucht.

Ein anschauliches Bild ist ein Rouletterad, dessen hohe Symmetrie "gebrochen" wird, wenn eine hineingeworfene Kugel sich für eines der 37 Fächer entscheidet.

Der Tatsache, dass wir existieren und uns über das Universum Gedanken machen können, liegt eine solche Symmetriebrechung der Natur zugrunde: Materie und Antimaterie sind nur beinahe perfekte Spiegelbilder voneinander.

Die erstmals 1964 in einem Teilchenbeschleuniger beobachtete winzige Abweichung von perfekter Symmetrie ist höchstwahrscheinlich die Ursache dafür, dass während des Urknalls ein Überschuss von Materie gegenüber Antimaterie entstehen konnte. Gleiche Mengen von Materie und Antimaterie wären in kürzester Zeit zu reiner Energie zerstrahlt, doch durch das Mehr an Materie konnte unser Universum entstehen.

Die hierfür verantwortliche Symmetriebrechung mit den bestehenden, experimentell gut abgesicherten, Theorien in Einklang zu bringen, war das Verdienst der beiden diesjährigen Nobelpreisträger Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa. Zu diesem Zeitpunkt, im Jahr 1972, galt die Existenz dreier Arten von Quarks (Bestandteile der Elementarteilchen)  als gesichert und die einer vierten als höchstwahrscheinlich.

Für ihr Modell brauchten die beiden Wissenschaftler jedoch noch zwei weitere Quarkarten, deren Existenz sie daher annahmen. Dass diese Quarks zwischen 1974 und 1994 tatsächlich experimentell nachgewiesen werden konnten, bestätigt die Kobayashi-Maskawa Theorie auf beeindruckende Weise.