Physiknobelpreis: Was vom Urknall übrig blieb

Physik ist eine ziemlich symmetrische Sache. Jedes Teilchen hat zum Beispiel genau ein Gegenstück: Auf jedes Proton kommt ein Anti-Proton, auf jedes Elektron ein Anti-Elektron namens Positron. Und so weiter. Das war schon vor rund 14 Milliarden Jahren so, als der Urknall das Universum hervorsprengte.

Aber nicht ganz: Wenn es exakt so viel Materie wie Antimaterie gegeben hätte, hätten sich die beiden ausgelöscht, und es gäbe keine Sterne, Planeten, keine Menschen, keine Zeitungen, gar nichts. Offenbar gab es einen minimalen und mysteriösen Überschuss an Materie; auf zehn Milliarden Teilchen Antimaterie kamen zehn Milliarden und ein Teilchen Materie. Diesem "Symmetriebruch" verdanken wir unsere Existenz.

Drei Japaner teilen sich den Nobelpreis

Dass dieses Verhältnis so genau bestimmt werden konnte, ja dass es überhaupt ein physikalisches Modell gibt, das diesen winzigen Materieüberschuss erklären kann – dies ist das Verdienst von Makoto Kobayashi, 64, und Toshihide Maskawa, 68. Dafür erhalten die beiden Japaner den diesjährigen Physik-Nobelpreis, wie die Jury am gestrigen Dienstag in Stockholm verkündete. Die beiden teilen sich die eine Hälfte des Preisgeldes von insgesamt einer Million Euro.

Die andere Hälfte bekommt der 87-jährige Yoichiro Nambu, ebenfalls aus Japan, jedoch nach vielen Jahren in den USA inzwischen amerikanischer Staatsbürger. Auch Nambu hat bahnbrechende Entdeckungen in der Teilchenphysik und zur Symmetriebrechung gemacht.

"Dass Kobayashi und Maskawa den Nobelpreis bekommen, war längst überfällig", sagte der Physiker Martin zur Nedden von der Berliner Humboldt-Universität dem Tagesspiegel. Zur Nedden bereitet derzeit Experimente für den Atlas-Detektor am weltgrößten Beschleunigerring LHC in Genf vor – eine Forschungsarbeit, die ohne die theoretischen Grundlagen der Japaner undenkbar wäre.

Am Genfer Beschleuniger versucht man unter anderem ein Teilchen namens Higgs ausfindig zu machen. Higgs soll den anderen Teilchen der Materie ihre Masse verleihen, wobei es schwere Materieteilchen wie das Proton gibt und leichte wie das Elektron. Wieder bricht die Natur die Symmetrie.

Kobayashi-Maskawa-Matrix

Nicht nur die Materie selbst ist das Resultat eines Symmetriebruchs, auch die Naturkräfte, die zwischen ihnen wirken, unterliegen diesem Prinzip. Die beiden Preisträger Kobayashi und Maskawa entwickelten in den 1970er-Jahren ein physikalisches Modell, das sowohl die Elementarteilchen als auch drei der vier fundamentalen Naturkräfte schlüssig zusammenfügt: die elektromagnetische Kraft, wie wir sie etwa vom Licht und der Elektrizität kennen, sowie die schwache und die starke Wechselwirkung, die im Kern von Atomen eine Rolle spielen.

Die Gleichungen der beiden japanischen Wissenschaftler, auch als "Kobayashi-Maskawa-Matrix" bezeichnet, lösten das Dilemma, vor das Physiker in den 1960er-Jahren standen: In Experimenten hatten sie festgestellt, dass sich verschiedene Elementarteilchen ineinander umwandeln können, hierbei aber sonderbare Präferenzen zeigen – Teilchen namens Myonen beispielsweise wurden leichter zu Elektronen als bestimmte Quarks zu anderen Quarks. Nach der bis dahin vorherrschenden Theorie hätte die Geschwindigkeit der Umwandlung bei diesen Teilchen gleich sein müssen. Kobayashi und Maskawa erklärten, wie der Unterschied zustande kam und beschrieben damit einen zentralen Symmetriebruch der Natur.

"Wir sind alle Kinder von gebrochener Symmetrie"

Symmetriebrüche dieser Art haben das Schicksal unseres Universums von Anfang an bestimmt. Unmittelbar nach dem Urknall war das Universum extrem heiß und symmetrisch. Es gab darin keine Ordnung. Je mehr sich das Universum abkühlte, desto mehr wurde diese Symmetrie und Uniformität durchbrochen. Ähnlich verhält es sich mit Wasser, das abkühlt, bis es gefriert. Wasser hat eine uniforme, amorphe Struktur, es ändert nichts, ob man von oben, der Seite oder unten darauf guckt. Eis dagegen besteht aus Kristallen mit einer bestimmten geometrischen Form, die in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind: Eis ist symmetriegebrochenes Wasser.

Brüche in der Symmetrie bringen somit Struktur hervor – wie etwa unser Universum mit der Erde. Würde man umgekehrt unsere Erde in einen Riesenbackofen ultraerhitzen, würde alles zusammenschmelzen und ein symmetrischer Dampf übrigbleiben.

"Wir sind alle Kinder von gebrochener Symmetrie", formuliert es die Stockholmer Nobelpreis-Jury. Die ersten grundlegenden Vorgänge dieser Asymmetrie beschrieb Yoichiro Nambu, der von zahlreichen seiner Kollegen als geradezu "seherisch" charakterisiert wird. Der italienische Physiker Bruno Zumino etwa meinte einst, wer Nambu zuhöre, sei der restlichen Physikergemeinde zehn Jahre voraus.

Allerdings bräuchte man als Normalsterblicher zehn Jahre, um zu kapieren, was er meine, womit sich der Vorsprung in Nichts auflöse. In den 1960er-Jahren formulierte Nambu die Idee, dass Quarks sich so verhalten, als würden sie durch winzige Fäden zusammengehalten – ein entscheidender Baustein der Stringtheorie, die den Anspruch erhebt, die „Weltformel“ hervorzubringen. Der US-Stringtheoretiker Edward Witten meint über Nambu: „Die Leute verstehen ihn nicht, weil er seiner Zeit so voraus ist.“