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Theoretische Physik: Verborgene Symmetrien

Physiker schätzen Symmetrien nicht nur wegen ihrer Schönheit, sondern auch wegen ihrer Nützlichkeit. Wahrhaft faszinieren kann aber ihre – scheinbare – Abwesenheit. Denn dann befinden sich die Forscher möglicherweise auf dem Weg, tiefere Strukturen der Wirklichkeit zu erkennen.
Higgs im SombreroLaden...

Nicht nur für Physiker sind Symmetrien etwas ganz besonderes. Menschen nehmen sie generell als harmonisch und ästhetisch befriedigend wahr; Symmetrien fühlen sich einfach richtig an. Auch in der Natur spielen sie eine herausragende Rolle, weshalb sie Forschern oft als Wegweiser zu neuen Theorien dienen. Dabei ist die Natur häufiger asymmetrisch als symmetrisch, und oftmals sind es gerade Asymmetrien, die uns Hinweise auf die wahre Natur der Realität liefern. Genau das widerfuhr Peter Higgs und François Englert, als sie vor 50 Jahren auf eine mögliche Erklärung dafür stießen, warum Elementarteilchen Masse besitzen. Dieses Phänomen, das wir heute Higgs-Mechanismus nennen, brachte den beiden Physikern im vergangenen Jahr sogar den Nobelpreis ein.

Mitunter geht Symmetrie sogar aus Asymmetrie hervor. Wir und unsere Umwelt bestehen aus Atomen, die von der Anziehungskraft entgegengesetzter elektrischer Ladungen zusammengehalten werden. Das einfachste Atom, Wasserstoff, enthält nur ein positiv geladenes Proton und ein negatives Elektron. Deren elektrische Ladungen gleichen sich dabei so exakt aus, dass ein Atom aus der Ferne gesehen praktisch nur noch auf die Schwerkraft reagiert.

Dieses perfekte Gleichgewicht der Ladungen kommt allerdings auf vollkommen asymmetrische Weise zu Stande. Nach allem, was wir heute wissen, ist das Elektron ein fundamentaler, nicht aus weiteren Elementen zusammengesetzter Baustein der Materie. Das Proton dagegen nicht: Es besteht aus drei Quarks. Ordnen wir dem Elektron die Ladung –1 zu, tragen die Quarks die Ladungen +2/3 und –1/3. So sind Kombinationen möglich, in denen sich die Ladung der drei Quarks in einem Proton zu +1 summiert und die der drei Quarks in einem Neutron zur Ladung null führen. Obwohl also Protonen komplex aufgebaut, Elektronen jedoch sehr einfache Objekte sind, entsprechen die Ladungen der Teilchen einander exakt so, dass das Atom insgesamt elektrisch neutral ist. Das deutet auf eine tiefere Symmetrie, die Elektronen und Quarks miteinander verbindet, auch wenn wir noch nicht wissen, um welche es sich handeln könnte. ...

November 2014

Dieser Artikel ist enthalten in Sterne und Weltraum November 2014

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  • Literaturtipps

Close, F.: Infinity Puzzle: Quantum Field Theory and the Hunt for an Orderly Universe. Oxford University Press, 2011

Close, F.: Neutrino, Springer Spektrum, Heidelberg, Berlin 2012