Den Nobelpreis für Physik teilen sich Yōichirō Nambu(1/2) für die Arbeit “Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity. II” mit Makoto Kobayashi (1/4) und Toshihide Maskawa (1/4) für ihren berühmten Artikel (CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction). Also berühmt in der Teilchenphysik.

Worum geht es bei dem diesjährigen Nobelpreis?

Es geht um Teilchenphysik. Das Zeug, wofür das CERN und das LHC gut sind. Der Nobelpreis geht an frühere bahnbrechende Arbeiten auf diesem Gebiet, bei der übrigens die Theorie und die Experimente immer Hand in Hand gingen. Das eine ist hier nicht ohne das andere möglich.

Im Detail geht es um die Beobachtung, dass unsere Welt im Großen und Ganzen zwar symmetrisch ist, in bestimmten Fällen aber nicht. Und das ist auch gut so, denn sonst gäbe es uns gar nicht.

Es wurde bereits 1956 vorgeschlagen (Lee und Yang, Nobelpreis 1957), um den Zerfall von so genannten Kaonen zu erklären, dass bestimmte Zerfälle bei räumlicher Spiegelung anders ablaufen. Nachtrag: Genauer gesagt ging es um das “Tau-Theta-Rätsel”. Lee und Yang schlugen außerdem eine Reihe von Experimenten vor, mit der sich ihre Idee testen ließe.

Das entscheidende Experiment wurde 1957 durchgeführt. Die Physikerin Chien-Shiung Wu richtete mit einem Magnetfeld den Spin von Kobalt-60-Atomen bei sehr tiefen Temperaturen alle in die selbe Richtung aus und beobachtete dann den schwachen Zerfall in Elektronen. Die ausgesendeten Elektronen bevorzugten fast alle wie vorhergesagt eine bestimmte Flugrichtung. Diese Eigenschaft: Flugrichtung im Vergleich zum Spin, wird Chiralität bzw. Händigkeit genannt. Und die Natur ist ein Linkshänder.(1)

Nambu und sein Kollege Giovanni Jona-Lasinio allerdings “erklärten”, warum Symmetrien gebrochen werden und dass der “Spiegel” erst bei niedrigen Energien zerbricht.

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Bild: (Nobel foundation.) Links die symmetrische Situation bei hoher Energie. . Der Bleistift balanciert auf der Spitze. Dieser Zustand ist aber nicht stabil und der Stift fällt ganz spontan irgendwann in eine bestimmte Richtung. Er hat nicht mehr genügend Energie, um sich auf der Spitze zu halten. Jetzt ist das Bild nicht mehr spiegelsymmetrisch (rechts).

In der Welt der Teilchenphysik hat das interessante Konsequenzen: Zu jeder Symmetriebrechung gibt es ein Teilchen. Ein Goldstone oder Nambu-Goldstone-Boson. Das Higgs-Teilchen, das vermutlich die Masse in unsere Welt bringt, ist übrigens auch so ein Nambu-Goldstone-Boson Nachtrag: Ok, es ist um einiges komplizierter. Ich sollte das Higgs-Boson besser als Eichboson bezeichnen. Das hängt zwar letztenendes auch irgendwie mit Symmetriebrechungen zusammen, aber das zu erklären, traue ich mir nicht zu. Dazu bin ich zu lange raus aus dem Feld. Aber zum Glück hat das eine andere gemacht.

So langsam sollte deutlich werden: Zerbrochene Symmetrien bestimmen unsere Welt.

Zu der Arbeit von Kobayashi und Maskawa hatte ich sogar eigentlich schon vor ein paar Monaten etwas geschrieben. Als ich die Frage nach dem Leben, dem Universum und dem ganzen Rest stellte. Nach dem Urknall hätte in einer perfekt symmetrischen Welt sowohl Materie als auch Antimaterie in gleichem Masse entstehen und sich gegenseitig sofort wieder vernichten müssen.

Aber die Welt ist auch hier zum Glück nicht symmetrisch, wie Kobayashi und Maskawa in ihrer Theorie erklärten. Unser Universum bevorzugt Materie zugunsten der Antimaterie, was 1964 mit Experimenten an K-Mesonen in Teilchenbeschleunigern nachgewiesen wurde. In dem Fall ist die CP-Symmetrie verletzt. Die elektrische Ladung in Verbindung mit räumlicher Spiegelung. (2)

Das hat weitere Konsequenzen: So sagten Kobayahi-Maskawa 1973 die Existenz von weiteren noch unbekannten Quarks voraus. Sie behielten Recht. Vier Jahre später wurde das Bottom-Quark gefunden und der Nachweis erbracht, dass es noch eine weitere Teilchensorte gibt – mit allen Eigenschaften der anderen beiden, nur eben mit deutlich höherer Masse und extrem instabil.

Oh Gott, die drei Teilchenfamilien! Wie erkläre ich jetzt, dass es außer der normalen Materie, aus der wir bestehen, noch weitere Familienmitglieder gibt, auf die wir aber nie treffen, weil sie so schnell zerfallen, dass sie in unserem Alltag keine Rolle spielen? Das Elektron ist z.B. in Wahrheit ein Drilling. Es hat einen schweren Bruder (das Myon) und einen sehr schweren Bruder (das Tauon oder Tau-Lepton).(3) Alle drei haben die gleichen Eigenschaften, bis auf ihre Masse und ihre Zerfallszeit.

Die Welt der Elementarteilchen ist einfach extrem seltsam. Seltsamer als alles, was wir uns je ausdenken konnten. Und genau deswegen blicke ich mit Spannung zum CERN. Bisher haben wir immer neue Sachen in der Welt der Teilchenphysik entdeckt. Warum sollte es jetzt anders sein?


P.S.:

Ich frage mich, wo ist eigentlich Giovanni Jona-Lasinio? Der war doch der Co-Autor des Artikels, für den Nambu den Nobelpreis bekommen hat? Es waren vier Leute an den Arbeiten beteiligt, da erscheint es etwas unfair, einen rauszulassen. Ja, ich weiß, dass sich maximal drei Leute den Preis teilen dürfen, aber Hand auf’s Herz. Das wird zunehmend unfair. Heutzutage ist Wissenschaft Gruppenarbeit.
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(1) Schon damals wurde gemeckert, warum außer Lee und Yang nicht auch Wu den Nobelpreis erhielt. Übrigens alle drei waren amerikanische Einwanderer, chinesischer Abstammung.
(2) Für die Entdeckung des Tau-Leptons gab es übrigens 1995 den Nobelpreis.
(3) Der Teilchenzoo. Da wimmelt es von lauter Teilchen, derer wir nur in Teilchenbeschleunigern und bestenfalls in der Höhenstrahlung habhaft werden. So extrem kurzlebig sind sie.
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Nachtrag in eigener Sache:
Ich hab den Beitrag in zwei Stunden runtergeschrieben basierend auf altem Prüfungswissen und einleitenden Fachbüchern, die ich noch rumstehen habe.
Ich bin seit Jahren raus dem Feld und eigentlich habe ich in experimenteller Teilchenphysik gearbeitet. Theoretische Teilchenphysik ist und war nie mein Fachgebiet, also erwartet bitte keinen ausufernden Artikel dazu. Das war auch nie das Ziel. Das Ziel war es, den Gedanken hinter den Nobelpreisen – so weit ich meine es verstanden zu haben – zu erklären. Insofern ist es natürlich möglich und sogar wahrscheinlich, dass ich irgendwo Fehler gemacht habe.

Dann möchte ich aber bitten, dass man mir dann auch verrät, wie man es besser erklären könnte oder vielleicht sogar einen eigenen Blog zu schreiben? Oder einen Gastbeitrag?

Ich bin hier kein Journalist, der sich seine Meriten verdienen will, sondern ich will als Wissenschaftler, der sich auch für Teilchenphysik begeistert, wirklich etwas erklären und das allgemein verständlich. Daran sollten alle Wissenschaftler eigentlich ein Interesse haben und deswegen sollten wir zusammenarbeiten.

Ich nehme lieber in Kauf mich ab und an zu irren, als gar nichts zu sagen. Dann korrigiere ich eben den Artikel oder schreibe verbesserte Blogeinträge oder nehme Gastbeiträge auf. Das ist doch das Schöne an Blogs. Dass wir alle mitreden können.

Entschuldigt also die Nachbesserei!

Kommentare (14)

  1. #1 Georg Hoffmann
    Oktober 7, 2008

    Die Franzosen waren sich vorher sicher, dass Francois Englert zusammen mit Brout und Higgs den Preis bekommt. Auch spontane Symmetriebrechung.
    Aber vermutlich ist das fuer den Moment, dass der LHC endlich funktioniert.
    Grusz Georg

  2. #2 Ludmila
    Oktober 7, 2008

    @Georg: Ne, für den Higgs-Mechanismus gibt es den Preis erst, wenn das Higgs-Teilchen experimentell nachgewiesen wird. Vorher gibt es da gar nichts, aber das ist auch klar. 1957 gab es auch erst den Preis nach dem Wu-Experiment. Deswegen wurde ja gemunkelt, dass Wu übergangen wurde. Ohne sie hätte es den Preis für Lee und Yang nicht gegeben.

    Hmm, kann man den Nobelpreis auch posthum kriegen? Peter Higgs ist ja nicht der Jüngste.

  3. #3 isnochys
    Oktober 7, 2008

    Nein.
    soweit ich weiß gibts den Preis nur in lebende Hände
    :))

  4. #4 Fischer
    Oktober 7, 2008

    Dann sollten die Jungs am Cern sich mal beeilen, die Magneten zum Laufen zu kriegen…

    *Oh Gott, die drei Teilchenfamilien!*
    Jaja, genau das hab ich heute Mittag auch gedacht, als ich meinen Beitrag dazu geschrieben habe. Ergebnis: ich hab’s gar nicht erst versucht. 😉

  5. #5 Arnulf
    Oktober 7, 2008

    Nun ja, verglichen mit Nambu ist Higgs geradezu ein Jungspund. Ich habe ohnehin den Eindruck, dass Nambu den (zweifelsohne verdienten) Nobelpreis dieses Jahr bekommen hat, bevor es irgendwann zu spät ist – oder der LHC schon die nächsten seltsam-preisverdächtigen Teilchen hervorbringt 😉

  6. #6 Stefan
    Oktober 7, 2008

    Bei Kobayashi und Maskawa fällt einem natürlich auch Nicola Cabibbo ein, der das “C” zu der CKM-Matrix beisteuert und auch leer ausgegangen ist… Ist halt ein Problem mit der Dreier-Deckelung der Zahl der möglichen Preisträger.

  7. #7 Ludmila
    Oktober 7, 2008

    @Stefan: Ja ist mir auch siedendheiß eingefallen, als ich die italienischen Zeitungen durchblätterte. *husthust* Dabei war CKM-Matrix und Wu-Experiment bei mir Prüfungsstoff.

  8. #8 Juerg Froehlich, ETH Zuerich
    Oktober 7, 2008

    Ich schaetze den Artikel gar nicht. Er muss von jemandem geschrieben worden sein, der von den Beitraegen der diesjaehrigen Nobelpreistraeger und ihrer zahlreichen Kolleginnen und Kollegen zur theoretischen Physik nur sehr wenig versteht.
    1) Die Kaonen haben erst bei der Entdeckung der CP Verletzung eine zentrale Rolle gespielt und nicht bei der Entdeckung der Brechung der Spiegelungssymmetrie.
    2) Ausser Madame Wu muessten im Zusammenhang mit der experimentellen Entdeckung der Brechung der Spiegelungssymmetrie in der Physik der schwachen Wechselwirkungen auch Leute wie Telegdi und Friedman und andere erwaehnt werden. Der Umstand, dass mehrere Teams (die je aus mehreren ForscherInnen bestanden) unabhaengig diese Entdeckung gemacht haben, mag uebrigens erklaeren wieso Madame Wu den Nobelpreis nicht erhalten hat.
    3) Das Higgs Boson als Nambu-Goldstone Boson zu bezeichnen bedeutet eine gewisse schaedliche Verwirrung dieser Begriffe zu erzeugen.
    4) Im Zusammenhang mit den Entdeckungen von Kobayashi und Maskawa muesste uebrigens unbedingt auch der italienische Theoretiker Nicola Cabibbo erwaehnt werden – so wie im Zusammenhang mit Nambu auf Gianni Jona-Lasinio hinzuweisen ist. Schliesslich steht ja eben ein ‘C’ am Anfang der CKM Matrix.
    5) Der Spruch ueber den Spiegel, der erst bei niedrigen Energien zerbreche, ist natuerlich auch Unsinn.
    Also, das ist wirklich ein ganz unserioeser Beitrag!

  9. #9 Ludmila
    Oktober 8, 2008

    @Herr Fröhlich:
    1) Das K-Meson spielt auch eine Rolle bei der CP-Verletzung ABER historisch gesehen, spielte das K-Meson beim so genannten tau-theta-Rätsel eine Rolle. Also den Zerfall der tau- und Theta-K-Mesonen, das man ursprünglich für zwei verschiedene Teilchen hielt. Ich zitiere mal aus dieser Rede von Yang im Zusammenhang zu seinem Nobelpreis: (This is because experimentally the K mesons (i.e. tau and theta) seem all to have the same masses
    and the same lifetimes.)
    (http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1957/yang-lecture.pdf und hier http://www.time.com/time/magazine/article/0,9171,808983,00.html?iid=chix-sphere ) Ich hätte diesen Punkt sicherlich noch ausführlicher erörtern können, aber wie lang hätte der Artikel bitte schön werden sollen? Aber es ging dennoch um den K-Mesonen-Zerfall. Oder nicht?

    2) Na ja, das Wu-Experiment ist das bekannteste und das Lehrbuch-Beispiel. Entschuldigen Sie bitte, dass ich in zwei Stunden keine vollständige Lehrbuchabhandlung geschrieben habe.

    3) Ach ja? Das ist das erste was ich höre. Was sollte man denn stattdessen sagen? (Nachtrag: Ok, ich hab das Eichboson mit dem Goldstone-Boson verwechselt.)

    4) Ja, hab ich vergessen. Wurde in den Kommentaren und im Nachfolgebeitrag auch gebührend gewürdigt.

    5) Den “Spruch” habe ich übrigens von den Hintergrund-Informationen vom Nobelpreiskomitee (siehe hier http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/info.pdf ). Ich fand das Bild gut und passend. Fällt Ihnen ein besseres für Laien verständliches Bild ein?

    Das hier ist ein Blog, d.h. ich bemühe mich stark verkürzt, Dinge zu veranschaulichen. Und das in meiner Freizeit. Just for Fun. Ich bemühe mich nach bestem Wissen und Gewissen. Aber ehrlich gesagt, weiß ich nicht, wie ich Ihre Kritik umsetzen soll, ohne einen mehrseitigen Fachaufsatz über Teilchenphysik zu schreiben.

    ich schätze übrigens auch nicht, wie Sie in der dritten Person auf meinem eigenen Blog über mich schreiben und mein Name steht auch unter den Artikeln, also reden Sie mich bitte wenigstens mit Namen an und nicht mit “jemand”. Das empfinde ich nämlich als ziemlich unhöflich.

  10. #10 Stefan
    Oktober 8, 2008

    Ich bin grade etwas irritiert – das Higgs hat doch Masse, sogar eine ganze Menge, also kann es gerade kein masseloses Nambu-Goldstone-Teilchen sein. Es ist eine Anregung “senkrecht” zur Rinne der Hutkrempe, nicht entlang der Rinne? Aber was ist dann eigentlich die Nambu-Goldstone-Mode beim Higgs-Mechanismus?

    Anyway, ich finde Prof Fröhlichs Einwände sachlich berechtigt, das Fazit “ganz unseriös” schlicht daneben. Mit diesem Maßstab muss die gesamte “offizelle” Presseberichterstattung des heutigen Tags einfach unterirdisch schlecht gewesen sein. Da wurden chirale Symmetriebrechung und Higgs-Mechanismus zur Massenerzeugung bunt zusammengewürfelt (kein Wunder, da kaum einem Journalisten bewusst zu sein scheint, dass NJL zur Erklärung der Hadronmassen ohne Higgs auskommt), und die wichtige Unterscheidung der Brechung kontinuierlicher und diskreter Symmeterien (keine Nambu-Goldstone-Moden bei Brechung diskreter Symmetrie) ohnehin ignoriert… Das Intelligenzblatt “ZEIT” druckt Perlen, die suggerieren, das Higgs-Teilchen könne die Gravitation mit dem Standardmodell vereinigen.

    Wollte nur sagen, Ludmilla: Nicht entmutigen lassen 😉

  11. #11 Ludmila
    Oktober 8, 2008

    @Stefan: Ok, jetzt bin ich verwirrt. Erst dachte ich, ich hab das Goldstone-Boson mit dem Eichboson verwechselt. Hab ich auch, dass gebe ich auch zu. Mist! Ich hab befürchtet, dass mir irgendwo ein grober Schnitzer unterläuft.

    Jetzt hab ich aber gerade nachgelesen, dass man Eich-Bosonen mit Masse als Pseudo-Nambu-Goldstone Bosonen bezeichnen kann. Es hat schon was mit Symmetriebrechung zu tun. In der Vereinheitlichung sind die Eich-Bosonen dann schon wieder masselos und erhalten erst durch spontane Symmetriebrechung Masse. Oder?..Ok ich kapituliere. Das kriege ich nicht zusammen. Nicht ohne mich tagelang einzulesen und dafür habe ich definitiv keine Zeit.

    Ein Professor ist natürlich auf seinem Fachgebiet sehr steng und muss es auch sein. Aber gerade in Teilchenphysik muss man irgendwo Abstriche bei der Erklärung machen.

    Dann soll mir dann bitte aber auch Professor Froehlich sagen, wie er es besser erklären würde, denn sonst ist das ziemlich unfruchtbar.

    Aber das mit der Hadronen-Masse war mir bis heute auch nicht so recht bewusst. Dass diese bereits aus der Symmetriebrechung rauskommt.

  12. #12 Stefan Taube
    Oktober 9, 2008

    Ich will mich da anschließen: lass Dich nicht entmutigen! Herrn Froehlich mangelt es meines Erachtens an Medienkompetenz, wenn er einen Blog nicht als solchen erkennt. Ein Blog dient dazu Themen aufzugreifen und bei Bedarf Fragen im Diskurs zu lösen.

  13. #13 M.D.
    Dezember 1, 2008

    Betrifft: Streichungen beim Bleistiftbild, ganz oben

    der sich drehende Bleistift orientiert sich inertialfest, (“bleibt stehen”),
    was sich mit den EULER’schen Kreiselgleichungen als Formel ausdruecken laesst.

    Insofern ist die gestrichene Formulierung “hat nicht mehr genuegend Energie, um sich auf der Spitze zu halten” durchaus nicht falsch ( E = mv2 /2 = Iomega2 /2 bzw. welcher Buchstabe im Lehrbuch halt verwendet wurde: Wikipedia schreibt Jomega2 /2 im Kapitel Rotationsenergie, hier steht eben J statt I fuer das Traegheitsmoment)

    Auch die ebenfalls gestrichene Formulierung “bei hoher Energie” (rotiert er) ist nicht falsch: die Kraft, die den Bleistift umwerfen kann, steigt mit der Drehzahl (siehe Radfahren bei niedriger Geschwindigkeit bzw. die Probleme, die bei Versuchen mit Rotationsmassen als Energiespeicher fuer Kfz auftraten — die wollten einfach nicht um die Kurve, wenn die Rotationsachse der Schwungmasse laengs oder quer war)

    lg

  14. #14 Ludmila
    Dezember 2, 2008

    @M.D.: Entschuldige bitte nein. Der Bleistift sollte als Analogie von Zuständen von Elementarteilchen dienen. Nimm bitte diese Analogie nicht wörtlich. Keinesfalls ist es so, dass man es mechanisch rechnen kann, wie Du es tust. Alleine Rotation macht in diesem Zusammenhang einfach keinen Sinn.

    Das Beispiel war einfach schlecht gewählt und ich hab einige Dinge missverstanden. Insofern sind die Streichungen berechtigt.