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Nobelpreise 2004: Große Ehrung für eine starke Kraft

Die drei US-Amerikaner David Gross, David Politzer und Frank Wilczek erhalten den diesjährigen Physik-Nobelpreis für ihre theoretischen Beiträge zum Standardmodell der Teilchenphysik, das beschreibt, woraus die Welt besteht und was sie zusammenhält.
Nuclei
Theoretische Physik ist deshalb so schwierig, weil sie es möglichst einfach machen will. Statt jeden einzelnen Vorgang separat zu beschreiben, sucht sie nach grundlegenden Mechanismen, die sich auf möglichst viele Phänomene anwenden lassen. Je grundlegender, umso besser, lautet die Maxime. Ein durchaus erfolgreiches Rezept, wie am Beispiel des Gravitationsgesetzes deutlich wird: Ob ein Apfel auf die Erde fällt, ein Raumschiff den Planeten umrundet oder ganze Galaxien sich gegenseitig umkreisen – stets folgen die Objekte nur der Schwerkraft, die sich in einer einzigen, relativ einfachen Formel beschreiben lässt. Anhand der Gleichung kann jeder Computer selbst komplexe Flugbahnen berechnen, lange bevor eine Sonde zum Mars gestartet wird oder ein Asteroid auf der Erde einschlägt. Ein geniales Prinzip also, das jedoch einen Haken hat: Je grundlegender die Beschreibung ist, umso abstrakter geraten die Modelle, sodass manches im wörtlichen Sinne "unvorstellbar" wird.

Das Fernziel der Physik ist eine große vereinheitlichende Theorie, die alle in der Natur vorkommenden Kräfte beschreibt und darum mitunter ein wenig unseriös als "Weltformel" bezeichnet wird. Ganz ist der Weg dorthin noch nicht geschafft, aber immerhin auf vier grundlegende Kräfte oder Wechselwirkungen bringt die Wissenschaft es bereits im so genannten Standardmodell der Teilchenphysik, an dem die Träger des diesjährigen Nobelpreises für Physik bedeutenden Anteil haben.

Die vier grundlegenden Kräfte | Vier grundlegende Kräfte halten die Welt zusammen, besagt das Standardmodell der Teilchenphysik. Für wichtige Entdeckungen rund um die vierte, die so genannte starke Wechselwirkung, gab es den diesjährigen Physik-Nobelpreis.
Die erste Kraft ist die bereits angesprochene Gravitation. Sie ist relativ schwach, wirkt dafür aber unendlich weit, indem Massen, wie Apfel und Erde, sich gegenseitig anziehen. Auch die elektromagnetische Kraft wird im Alltag erfahrbar. Sie ist dafür verantwortlich, dass Kompassnadeln nach Norden zeigen, Elektronen und Atomkerne sich zu Atomen verbinden und Atome sich zu Molekülen zusammenlagern und die Elektronenhüllen von Molekülen sich gegenseitig abstoßen, sodass ein Apfel nur bis zum Erdboden fällt und nicht bis in den Erdmittelpunkt. Die dritte Kraft, die schwache Wechselwirkung, ist dagegen schon ein wenig exotischer. Sie macht sich beispielsweise beim radioaktiven Zerfall von Neutronen im Atomkern bemerkbar.

David Gross, David Politzer, Frank Wilczek | Die drei diesjährigen Physik-Nobelpreisträger (von links nach rechts): David Gross von der University of California in Santa Barbara, David Politzer vom California Institute of Technology und Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology
Das Arbeitsgebiet der Preisträger David Gross von der University of California in Santa Barbara, David Politzer vom California Institute of Technology und Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology war Anfang der 1970er Jahre die vierte Kraft: die starke Wechselwirkung, die beschreibt, was die Bausteine von Atomkernen beieinander hält. Damals steckte die Teilchenphysik in einer tiefen Krise. Es war bekannt, dass die Kernbausteine Proton und Neutron keine echten Elementarteilchen sind, sondern aus den kleineren Quarks bestehen. Diese Quarks haben – passend zu ihrem komischen Namen – eine Reihe von seltsamen Eigenschaften: Sie tragen eine elektrische Ladung, die aber die krummen Werte von -1/3 oder +2/3 der Elementarladung annimmt. Sie können bestimmte Zustände haben, die etwas unglücklich mit den Farben rot, blau und grün bezeichnet werden, obwohl es sich um keine wirklichen Farben handelt. Und sie weigerten sich standhaft, in irgendeinem Experiment isoliert zu werden. Anders ausgedrückt: Ein Quark kommt niemals allein! Allenfalls in Grüppchen bewegen sie sich außerhalb des Atomkerns, wie beispielsweise als Proton, das aus einem Quark-Trio besteht. Unverständlich, hatten doch andere Experimente gezeigt, dass sich die Quarks innerhalb der Protonen beinahe wie freie Teilchen verhielten. Warum waren sie dann nicht aus dem Grüppchen herauszulösen?

Die Lösung publizierten Gross und Wilczek sowie Politzer im Juni 1973 in zwei Aufsätzen in der Fachzeitschrift Physical Review Letters. Zu diesem Zeitpunkt standen alle drei am Anfang ihrer Karrieren, Wilczek und Politzer waren sogar noch Doktoranden. Trotz oder wegen ihrer Jugend hatten die drei Theoretiker den richtigen Kniff gefunden, um das seltsame Gebaren der Quarks zu erklären. Nach ihrer Idee wurde die starke Kraft immer schwächer, je näher sich die Teilchen kamen. Als seien die Quarks durch ein kräftiges Gummiband miteinander verbunden, haben sie viel Freiheit, wenn sie beieinander bleiben. Zieht man jedoch an einem einzelnen Quark, steigt der Widerstand mit zunehmender Entfernung stark an, sodass kein Quark aus dem Verband entführt werden kann. Als "asymptotische Freiheit" beschreibt die Theorie, woran die Experimente kläglich gescheitert waren.

Aus dem Konzept entwickelte sich eine weitergehende Theorie, die Quantenchromodynamik, mit deren Hilfe nun auch das Verhalten von Quarks in Atomkernen berechnet werden kann. Damit ist eine wichtige Voraussetzung geschaffen, die starke Wechselwirkung vielleicht doch unter einen Hut mit ihren drei Kraft-Kollegen zu bringen. Zwar sind dafür noch einige Modifikationen am Standardmodell der Teilchenphysik notwendig, aber dank der bahnbrechenden Arbeiten von Gross, Politzer und Wilczek werden wir eines Tages vielleicht doch wissen, aus welchem Urstoff die Welt gemacht ist und was sie im Innersten zusammenhält.

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