Physik-Nobelpreis Ein Herz für die kleinen Unterschiede

Der Mensch liebt die Symmetrie - die Natur auch. Doch gelegentlich weicht sie von der perfekten Ausgewogenheit ab und gibt einer Seite den Vorzug. Solche Symmetriebrechungen haben die Materie und das Leben erst möglich gemacht - und drei Physikern den Nobelpreis beschert.

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Die Verleihungen der Physik-Nobelpreise gleichen einem Crashkurs in Grundlagenforschung. Wer wusste etwa im Oktober 2007 - außer ein paar Fachleuten - was der Riesenmagnetoeffekt ist? Für dessen Entdeckung bekamen vor einem Jahr der deutsche Physiker Peter Grünberg und der Franzose Albert Fert den begehrten Preis aus Stockholm - und plötzlich wussten auch Nichtphysiker, dass der Effekt Gigabyte-fassende Festplatten erst ermöglicht hat.

In diesem Jahr hielt die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften die Entdeckung des außerhalb der Physik kaum bekannten Phänomens der Symmetriebrechung für preiswürdig. Der US-Physiker Yoichiro Nambu hatte mit seinen Arbeiten maßgeblich das Konzept der sogenannten Spontanen Symmetriebrechung entwickelt, die heute in verschiedenen physikalischen Theorien angewandt wird. Er bekommt die Hälfte des Preisgeldes in Höhe von rund einer Millionen Euro, die andere Hälfte geht zu gleichen Teilen an die Japaner Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa.

Für die Spontane Symmetriebrechung gibt es eine anschauliche Erklärung: Eine Kugel liegt genau in der Mitte eines Flaschenbodens, der nach oben gewölbt ist. "Solange es keine Erschütterungen gibt, bleibt die Kugel auf der Spitze liegen", erklärt der Würzburger Physiker Reinhold Rückl im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Der Zustand sei rotationssymmetrisch. Die kleinste Störung aber lasse die Kugel nach unten rollen. Sie habe dann eine niedrigere Energie, die Rotationssymmetrie bestehe jedoch nicht mehr.

"Der Zustand der niedrigsten Energie bricht die Symmetrie", erklärt Rückl. Das Phänomen trete unter anderem im Ferromagneten auf, wenn sie unter die sogenannte Curie-Temperatur abgekühlt würden. Dann richteten sich die vorher ungeordneten Spins plötzlich in eine Richtung aus. Den experimentell noch nicht bewiesenen Higgs-Mechanismus, der Teilchen Masse verleiht, betrachten Physiker ebenfalls als Variante der Spontanen Symmetriebrechung.

Der Nobelpreis für Nambu komme unerwartet, sei aber "hochverdient", sagte Matthias Neubert, Professor für Physik an der Universität Mainz, zu SPIEGEL ONLINE. Nambu sei ein Kandidat gewesen, der "lange auf der Liste stand", ergänzt Rückl von der Universität Würzburg. Neubert erklärte, Nambu hätte den Preis im Grunde auch schon vor 20 Jahren bekommen können.

Das ist bei den Japanern Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa, den beiden anderen Nobelpreisträgern 2008, ein wenig anders. Sie haben 1972 eine Erklärung dafür geliefert, warum im Universum die Materie über die Antimaterie dominiert, obwohl beide eigentlich in gleich großer Menge existieren sollten. "Beide haben eine dritte Generation von Quarks vorhergesagt, also eine neue Teilchenart postuliert", erklärt der Mainzer Physikprofessor Neubert. Der experimentell Beweis erfolgte jedoch erst vor einigen Jahren. Mit der Ehrung für Kobayashi und Maskawa sei deshalb zu rechnen gewesen, meint Neubert.

Die Symmetriebrechung, mit der sich die beiden Japaner beschäftigt haben, ist eine andere als jene spontane, die Nambu studierte. Kobayashi und Maskawa konnten erklären, warum Antimaterie und Materie minimal unterschiedliche Eigenschaften haben - ein Rätsel, das die Quantenfeldtheorie nicht lüften konnte. Ihr Modell besagt, dass nicht alle Prozesse in der Teilchenphysik symmetrisch sind. So entstehen beim Zerfall von Pi-Mesonen ausschließlich sogenannte linkshändige Neutrinos, bei denen Impulsrichtung und Spinorientierung entgegengesetzt sind. Rechtshändige Neutrinos gibt es nicht - eine Symmetrieverletzung.

Eine Symmetriebrechung lässt sich innerhalb des Standardmodells nur mit der von Kobayashi und Maskawa postulierten dritte Quarkfamilie erklären. Im Jahr 2001 wurde ihre Theorie unabhängig voneinander bei zwei Experimenten in Japan und den USA nachgewiesen. Die Symmetriebrechung hat letztlich auch die Existenz des Universums in der uns bekannten Form ermöglicht. Nur mit kleinen, aber feinen Unterschieden zwischen Materie und Antimaterie lässt sich erklären, warum sich beide kurz nach dem Urknall nicht vollständig gegenseitig ausgelöscht haben. Auf zehn Milliarden Antimaterie-Teilchen kam ein überschüssiges Materie-Partikel - das war die Voraussetzung für die Entstehung von Galaxien, Sternen und am Ende auch von Lebewesen.

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