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Physik-Nobelpreis für theoretische Teilchenphysik

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Der Physik-Nobelpreis 2008 geht an den US-Amerikaner Yoichiro Nambu und die Japaner Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa für die Entdeckung und Anwendung der sogenannten spontanen Symmetriebrechung in der Teilchenphysik.

Der Begriff der Symmetrie kommt eigentlich aus der Mathematik: Ein geometrisches Objekt ist bezüglich einer Drehung, Verschiebung oder Spiegelung symmetrisch, wenn sich alle Punkte des Objekts durch eine solche Operation auf sich selbst abbilden lassen. Die Idee lässt sich jedoch auch auf abstrakte physikalische Systeme und Gesetze erweitern: Viele physikalische Gleichungen liefern beispielsweise dasselbe Resultat, unabhängig davon, wie man das zugrunde liegende Koordinatensystem ausrichtet.

Es gibt aber auch Ausnahmen: Ein physikalischer Prozess wie die Magnetisierung von Ferromagneten beispielsweise führt zu einer Symmetriebrechung – die atomaren Spins im Material richten sich im energetisch günstigsten Zustand parallel zueinander aus, was die Drehinvarianz des Systems bricht. Eine spontane Symmetriebrechung liegt dann vor, wenn die Grundgleichungen des Systems zwar eine bestimmte Symmetrie aufweisen, der Zustand mit der niedrigsten Energie diese Symmetrie jedoch nicht besitzt.

Nambu wird nun dafür geehrt, dass er das Konzept der spontanen Symmetriebrechung in den 1960er-Jahren erstmals in der Quantenfeldtheorie anwenden konnte. 1972 lieferten Kobayashi und Maskawa mit Hilfe dieses Ansatzes dann erstmals eine Erklärung für die Symmetriebrechung beim Kaon-Zerfall – ihre Erklärung setzte allerdings voraus, dass das Standardmodell der Teilchenphysik auf drei Familien von Quarks erweitert wurde. Das letzte der von den Forschern vorhergesagten hypothetischen, subatomaren Teilchen wurden erst 1994 in Experimenten nachgewiesen.

Eine Symmetriebrechung des sogenannten Higgs-Feldes könnte darüber hinaus auch für die Existenz des Higgs-Teilchens und damit der Masse im Universum verantwortlich sein, nach dem zur Zeit im Kernforschungszentrum CERN gefahndet wird. Sollte nicht nur eines, sondern mehrere Sorten von Higgs-Teilchen gefunden werden, müsste das Standardmodell der Teilchenphysik erneut erweitert werden. (wst)