In den letzten Tagen wurden wieder Nobelpreise verliehen. Und neben ein paar unbedeutenderen Wissenschaften auch in der Königsdisziplin. In der Physik natürlich. War es letztes Jahr der Kram aus Jülich, den man für die großen Datenmengen auf Festplatten braucht, ist es dieses Jahr irgendwas mit Symmetrie und lässt sich nicht mehr mit einem Satz zusammenzufassen.
Natürlich versuchen wir’s trotzdem: Symmetriebruch ist nötig, damit Materie (inkl. Protonen und Gnus) existieren kann, wie sie eben existiert.
Euch reicht das nicht? Kein Problem. Hier kommt für die besten aller Leser unser spezieller Erklärbär-Service.
Der Nobelpreis geht in den Bereich der Teilchenphysik hinein. Teilchenphysik? Schon mal gehört? Na klar! Da machen die doch gerade in der Schweiz was mit! Am CERN am LHC. Womit könnten wir also die Erklärung besser starten lassen, als mit einem Zitat aus unserer CERN’ed-Serie? Eben.
Aus dem Artikel zum LHCb:
Montag morgen, 9:25 Uhr. Ihr steht auf, gestern Abend war noch Einweihungsparty bei Peter und es gab reichlich Alkohol. Verkatert steht ihr im Bad und putzt euch die Zähne. Schließlich wollt ihr vor der Vorlesung um 10 noch etwas mit dem Prof besprechen. Aber was ist das? Euer Spiegelbild putzt sich nicht die Zähne sondern streichelt ein kleines Kätzchen auf dem Arm. Sollte ein Spiegel nicht das Gleiche, nur spiegelverkehrt wiedergeben?
Ungefähr so ist das nämlich mit den Symmetrien und den Symmetriebrüchen.
Es gibt verschiedene Arten von Symmetrien. Am besten vorstellen kann man sich die Spiegelsymmetrie. Wäre eine Katze eine Kugel, sähe sie vor einem Spiegel identisch aus. Aber seit 1923 gibt es auch katzenförmige Katzen. Mit Kopf und Schwanz. Und hier hört die Symmetrie auch schon auf: Vorne sieht die Katze anders aus als hinten. Zum Glück.
Da Physiker nicht mit Katzen und Spiegeln arbeiten, muss das Ganze ein wenig abstrahiert werden. Anstelle von Katze und Spiegel nehme man jetzt das Vakuum undoder superduper tiefe Temperaturen. Im Rahmen des Mexikaner-Hut-Modells hat z.B. ein rundes Teilchen in der Mitte der Spitze des Huts symmetrische Eigenschaften. Aber wenn man nur ein bisschen am Hut oder am Teilchen wackelt, dann verliert es seine instabile Position in der Mitte des Huts und fällt in die Hutkrämpe herunter. Jetzt ist es in einem Grundzustand angelangt – befindet sich aber nicht mehr symmetrisch in der Mitte des Huts. Zack, Symmetrie verletzt.
Hut, hin oder her. Warum ist das jetzt so toll? Ganz einfach: Ohne Hut keine Katze! Und das wäre doch furchtbar!
Katzen bestehen nämlich aus Materie. Das ist in sofern erstaunlich, als dass es damalsTM, direkt nach dem Urknall, als sich aus Energie langsam ein Brei von (Anti-)Materie bildete, ein Gleichgewicht von Materie und Antimaterie gab. Und dass die Katze nun nicht lila ist, auf den Ohren läuft und aus Antimaterie besteht, liegt an einem spontanem Symmetriebruch. Zumindest die letzte Eigenschaft. Irgendwie hat die Materie nämlich überhand gewonnen und ist teilweise bei der Antimaterie-Vernichtung übrig geblieben.
Ein anderes, bekanntes Beispiel von spontanen Symmetriebrüchen wäre z.B. der Zerfall von (Anti-)Kaonen, den wir schon im LHCb-Artikel beschrieben haben. Der Kaon-Zerfall war es, der initial darauf hindeutete, dass es Symmetriebrüche überhaupt gibt.
Und für die Erklärung solcher spontanen Symmetriebrüchen gab es jetzt den Physik-Nobelpreis.
Yoichiro Nambu, der die eine Hälfte des Nobelpreises bekam, hatte supraleitende Materialien in den 60ern untersucht, seine Feststellungen auf das Gebiet der Teilchenphysik übertragen und damit eine mathematische Beschreibung geliefert, die schließlich deutlich zur Entstehung des modernen Standardmodells in der Teilchenphysik beitrug.
Die andere Hälfte wird nochmal halbiert und auf Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa aufgeteilt, die spontane Symmetriebrüche bei Experimenten an Teilchenbeschleunigern erklären konnten. Das machten sie mit einer dritten Generationen von Quarks. Ihr wisst schon, Quarks, das sind die Dinger, aus denen z.B. Protonen zusammengebaut sind.
Neben den anfänglichen up- und down-Quarks wurden so strange- und charm-, und dann eben auch bottom- und top-Quarks postuliert. Man fand auch tatsächlich alle dieser Elementarteilchen – das letzte, das schwere top-Quark erst 1995.
So haben wir also nicht zuletzt durch Kobayashi und Maskawa ein hübsches Standardteilchenmodell, aus sechs Quarks drei unterschiedlicher Generationen – natürlich mit weiteren sechs Antiquarks.
Wer mehr dazu wissen möchte, der möge sich das offizielle “Information for the Public”-Dokument des Nobelpreis-Komittees durchlesen. Das ist wunderbar allgemeinverständlich geschrieben und hat sogar eine Umarmung mit einem Alien inklusive.
Von alpha-Centauri, dieser Physik-Erklär-Sendung von BR-alpha mit der unglaublich spacigen Titelmelodie, gibt es auch ein 15 Minuten Video zu Symmetriebrüchen. Eigentlich würde ich das jetzt hier einbinden, geht aber leider nicht. Daher leider nur der Direktlink, der das Browserfenster auch noch verkleinert (grrr!), das Video ist aber trotzdem empfehlenswert.
DirektSymmetriebruch
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