Von Marlene Weiss
02. Dezember 2008 Der große Erfolg der vergangenen 50 Jahre in der Teilchenphysik ist die einheitliche Beschreibung der elektromagnetischen sowie der schwachen und der starken Kraft, also aller Grundkräfte bis auf die Gravitation. Sie wurde hauptsächlich in den sechziger und siebziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts entwickelt und ist heute als das Standardmodell der Teilchenphysik bekannt. Der 2007 gestorbene Physiker Sidney Coleman schrieb über diese Jahre: "Es war eine großartige Zeit, ein Hochenergiephysiker zu sein, die Zeit des Triumphes der Eichfeldtheorie. Und was für ein Triumphzug es war, im ursprünglichen Sinne des Wortes: eine glorreiche Siegesparade, voll wunderbarer Dinge von fernen Orten, die dem Zuschauer vor Staunen den Atem verschlagen und ihn vor Freude lachen lassen."
Aber was sind diese wunderbaren Dinge von fernen Orten? Um Colemans Begeisterung zu verstehen, muss man wissen, dass in der Quantenphysik jedem Teilchen ein Feld entspricht. Andererseits wird auch jedes Kraftfeld durch Teilchen übertragen, zum Beispiel das elektromagnetische Feld durch Photonen. Der erste atemberaubende Gedanke ist der, dass ein direkter Zusammenhang zwischen Symmetrie und Kraft besteht. Symmetrie bedeutet hier, dass man ein Feld auf eine bestimmte Weise drehen kann, ohne physikalisch etwas zu verändern - man ändert nur die "Eichung", ähnlich wie den Nullpunkt bei einer Küchenwaage. Wunderbar! Man muss also nur die passende Symmetrie einfordern, und schon tauchen alle gewünschten Kraftteilchen auf. Und erstaunlich, denn die Symmetrie verlangt auch, dass Teilchen in Gruppen auftreten, in denen unbesetzte Plätze und damit noch zu entdeckende Teilchen auffallen.
Symmetrie nur teilweise offensichtlich
Die Schwierigkeit besteht darin, dass nur ein Teil der Symmetrie offensichtlich ist, der Rest ist versteckt oder "spontan gebrochen". Wie ein auf die Spitze gestellter Bleistift umfällt und dadurch eine Richtung auszeichnet, obwohl die Ausgangssituation symmetrisch war, ist auch der bevorzugte Zustand der Felder nicht symmetrisch, die gesamte Situation dagegen schon. Yoichiro Nambu brachte dieses weitere wunderbare Prinzip 1960 vom fernen Ort der Theorie der Supraleitung in die Teilchenphysik, dafür erhielt er in diesem Jahr den Nobelpreis.
Erst die spontane Symmetriebrechung ermöglichte die Beschreibung der Welt durch das Standardmodell. Diese Entwicklung hat die Teilchenphysik revolutioniert, denn sie beförderte die Theoretiker von Lagerarbeitern zu Abteilungsleitern. Statt lediglich die Flut von neu entdeckten Teilchen mit Etiketten zu versehen und sie in Regale zu ordnen, ohne zu verstehen, was dieser Teilchenzoo zu bedeuten hat, konnten sie Bestellungen aufgeben. Die vorhergesagten Teilchen wurden eines nach dem anderen von Experimenten nachgewiesen, zuletzt 1995 das Top-Quark und 2000 das Tau-Neutrino. Es steht zu hoffen, dass in den kommenden Jahren der letzte Baustein, das Higgs-Teilchen, gefunden wird. Das wäre das Ende einer Epoche.
Text: F.A.Z.
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