Drei Japaner, einer davon US-Staatsbürger, teilen sich heuer die Auszeichnung. Es geht um Symmetrie und darum, wie und wann diese gebrochen wird.
Nach einem ziemlich praxisorientierten Physiknobelpreis 2008 (für die Entdeckung eines für Computerfestplatten wichtigen magnetischer Effekts) schlägt heuer wieder die Theorie zu, und zwar so pur wie seit 2004 nicht mehr: Damals wurden drei Amerikaner für Arbeiten an der Theorie der starken Kernkraft prämiert, heuer sind es drei Japaner. Auch sie haben sich besonders mit der starken Kernkraft befasst – das ist eine der vier grundlegenden Wechselwirkungen: die Kraft, die die Quarks in den Teilchen (Protonen, Neutronen) zusammenhält, aus denen die Atomkerne bestehen –, ihre Konzepte sind aber von noch grundlegender Bedeutung.
Es geht um Symmetrie und darum, wie und wann diese gebrochen wird. Symmetrie ist sehr wichtig in der theoretischen Physik, viele Physiker schwärmen: Sie sei das Wichtigste (siehe Artikel rechts unten).
Konzept aus der Festkörperphysik
Das Konzept der spontanen Symmetriebrechung kommt eigentlich aus der Festkörperphysik – in Kristallen ist Symmetrie ja ganz augenscheinlich wichtig. Vor allem aus der Theorie der Supraleitung: Ein Phasenübergang bei einer bestimmten Temperatur – etwa Schmelzen oder eben der Übergang von nichtsupraleitend zu supraleitend – geht mit einer Symmetriebrechung einher.
Yoichiro Nambu war der Erste, der dieses Konzept auf die Teilchenphysik anwandte, wo es bis heute, wie das Nobelpreiskomitee sagt, „extrem hilfreich“ ist. Das war 1960, vier Jahre, bevor Murray Gell-Mann das Quark-Modell begründete. Damals war die Theorie der starken Kernkraft also noch lange nicht formuliert: Nambus Ideen über die Quantenfeldtheorien, die ihr zugrunde liegen sollten, waren richtungsweisend, von ihm ist z.B. die Idee, den Quarks eine „Farbladung“ zuzuschreiben, die leider ein bisschen komplizierter ist als die elektrische Ladung. Nambus Formalismus war auch vorbildlich für die Feldtheorie, die uns das meistgesuchte Teilchen der Physik bescheren sollte: das Higgs-Boson, dessen Feld vielen, wenn nicht allen Teilchen ihre Ruhemasse verleihen soll.
Es muss sechs Quarks geben!
Die anderen beiden neuen Nobelpreisträger, Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa, wendeten das Konzept der Symmetriebrechung vor allem auf die Kopplung von starker und schwacher Kernkraft an – und auf die Frage: Wieso und bei welchen Prozessen wird die CP-Symmetrie (die Kombination von Ladungs- und Spiegelsymmetrie) verletzt? Sie konnten die Symmetriebrechung erklären – aber nur unter der Annahme, dass es nicht nur die drei Quarks gibt, die man damals (Anfang der 70er) kannte (Up, Down, Strange), sondern drei Generationen zu je zwei Quarks. Die drei von ihnen frisch vorhergesagten Quarks (Charm, Bottom, Top) wurden alle später in Experimenten bestätigt, zwei davon in Teilchenbeschleunigern.
Auch eine weitere Voraussage der beiden Laureaten wurde später experimentell bestätigt: dass ein bestimmtes (nichtelementares, sondern aus zwei Quarks bestehendes) Teilchen, das B-Meson, anders zerfällt als sein Antiteilchen. Dieser Symmetriebruch reicht leider noch nicht aus, um zu erklären, warum Antimaterie und Materie im Universum offensichtlich nicht in völlig gleichen Mengen vorkommen. (Und damit, warum sich nicht alle Teilchenpaare in Energie aufgelöst haben.) Und so kann auch das Nobelpreiskomitee nicht umhin, laut zu hoffen, dass Ergebnisse des großen Renommier- und Zitterprojekts der Physik, des LHC in Genf, der Theorie den Weg weisen werden: „Vielleicht wird der LHC einige der Geheimnisse lüften, an denen wir tüfteln.“
("Die Presse", Print-Ausgabe, 08.10.2008)