Ein Nobelpreis für die Freiheit
Der Physik-Nobelpreis 2004 geht an drei Teilchenphysiker, die dazu beitrugen, eine passende Theorie zur Kraft zwischen den Quarks zu finden. David Gross, Frank Wilczek und David Politzer werden dabei für die Entdeckung ausgezeichnet, dass diese Kraft umso schwächer wird, je näher sich die Quarks kommen. Diese merkwürdige Eigenschaft wird in Fachkreisen „asymptotische Freiheit“ genannt.
 Theoretiker haben es ja auch nicht leicht: Immer wieder stehen sie vor der Aufgabe, eine Theorie zu etwas zu finden, das sie gar nicht genau kennen. So stellte sich die Situation auch Anfang der 1970er Jahre dar. Zwar hatte sich damals bereits die Idee durchgesetzt, dass Teilchen wie Protonen und Neutronen aus Quarks zusammengesetzt sind. Es gab jedoch noch keine überzeugende Theorie dazu, wie diese Quarks miteinander wechselwirkten. Da tappte man gehörig im Dunkeln.
Licht brachten die drei amerikanischen Physiker David Gross, Frank Wilczek und David Politzer: Ihnen gelang 1973 ein entscheidender Durchbruch, als sie feststellten, dass ein bestimmter Typ von Theorie (so genannte nicht-abelsche Eichtheorien) eine interessante Eigenschaft besitzt: Kräfte, die sich mit Hilfe einer solchen Theorie beschreiben lassen, werden umso schwächer, je näher sich die Teilchen kommen. Diese Einsicht lenkte die Teilchenphysik auf die richtige Bahn; noch im selben Jahr wurde eine konkrete Theorie für die Kraft zwischen den Quarks aufgestellt, die bis heute Gültigkeit besitzt: die Quanten-Chromodynamik. Diese Theorie sagt ein zusätzliches Teilchen, das Gluon, voraus, dessen Existenz 1979 bei DESY bestätigt wurde. Zudem konnte an HERA präzise gemessen werden, auf welche Weise die Starke Kraft bei hohen Energien (was kleinen Abständen entspricht) immer schwächer wird.
Die sonderbare Abhängigkeit der Stärke der Kraft zwischen den Quarks vom Abstand kann man sich wie bei einem Gummiband vorstellen. Wenn die Teilchen einen geringen Abstand voneinander haben, ist das Gummiband nicht gestreckt und die Teilchen üben nahezu keine Kraft auseinander aus. Sie verhalten sich wie (kräfte)freie Teilchen. Je weiter die Teilchen jedoch voneinander entfernt sind, umso stärker zieht sie das Gummiband wieder aufeinander zu. Bei ganz kleinen Abständen verschwindet die Kraft also nahezu völlig. Je größer die Abstände, umso größer ist dagegen die Kraft. Bei der Starken Kraft wird sie sogar so stark, dass man Quarks noch nicht einzeln beobachtet hat. Man trifft sie immer nur in Grüppchen an.
Die preiswürdigen Veröffentlichungen
Im Juni 1973 veröffentlichten die Nobelpreisträger im Physikfachblatt „Physical Review Letters“ zwei Artikel. In ihnen beschrieben sie, dass bei einem bestimmten Typ von Theorie die Stärke der dadurch beschriebenen Kraft umso schwächer wird, je näher sich die Teilchen kommen:
- D. J. Gross and F. Wilczek
Ultraviolet Behavior of Non-Abelian Gauge Theories
Phys. Rev. Lett. 30, 1343-1346 (1973)
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- H. David Politzer
Reliable Perturbative Results for Strong Interactions?
Phys. Rev. Lett. 30, 1346-1349 (1973)
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- D.J. Gross and F. Wilczek
Asymptotically Free Gauge Theories. I
Phys. Rev. D 8, 3633-3652 (1973)
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- D. J. Gross and F. Wilczek
Asymptotically Free Gauge Theories. II
Phys. Rev. D 9, 980-993 (1974)
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Nobelpreis für ein negatives Ergebnis
Zum Ausdruck gebracht wird die asymptotische Freiheit durch die so genannte Beta-Funktion zur Starken Kraft. Sie beschreibt, wie sich die Stärke der Kraft zwischen den Quarks mit Abstand und Energie ändert. Eine positive Beta-Funktion bedeutet, dass die Kraft mit abnehmendem Abstand stärker wird. Bei einer negativen Beta-Funktion nimmt die Kraft ab:
Die Beta-Funktion zur Starken Kraft: N_C beschreibt die Anzahl der Farbladungen. (Die Starke Kraft wird mit Hilfe der drei Farbladungen Rot, Grün und Blau beschrieben.) N_F gibt die Anzahl der Quarks wieder. (Das Standard-Modell der Teilchenphysik kennt sechs Quarktypen: Up, Down, Strange, Charm, Top, Bottom.) Die Beta-Funktion zur Starken Kraft ist damit negativ, was bedeutet, dass die Kraft zwischen den Quarks bei immer kleiner werdenden Abständen abnimmt.
Die Geschichte der Quarks und ihrer Wechselwirkung
- 1964: Das Quarkmodell
Die amerikanischen Physiker Murray Gell-Mann (*1929) und George Zweig (*1937) bemerken zeitgleich, dass mithilfe dreier Quarks Ordnung in das damalige Gewirr der über 100 "Elementar"-Teilchen einkehren kann. Drei weitere Quarks kommen später hinzu.
- 1969: Nachweis der Quarks am SLAC
Am SLAC werden Protonen mit energiereichen Elektronen beschossen. Dabei zeigt sich eine innere Struktur der Protonen. Zunächst ist man vorsichtig, dabei Quarks zu vermuten. Im Laufe der nächsten Zeit wächst der Mut.
- 1973: Die Entdeckung der asymptotischen Freiheit und QCD
Die Amerikaner David Gross, Frank Wilczek und David Politzer zeigen, dass mit Hilfe eines bestimmten Typs von Theorie, Kräfte beschrieben werden können, deren Stärke mit abnehmenden Abstand abnimmt. In den darauffolgenden Monaten wird die Starke Kraft zwischen den Quarks mithilfe (siehe 1964) einer solchen Theorie beschrieben.
- 1979: Entdeckung der Gluonen bei DESY
Experimente am Beschleuniger PETRA bei DESY liefern die ersten experimentellen Nachweise für die Existenz des Gluons.
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Wissenschaftliche Quelle
- Das Ergebnis wurde von den Wissenschaftlern am 30. Juli 2004 zur Online-Publikation bei der wissenschaftlichen Zeitschrift Physical Review Letters eingereicht.
Kurz und knapp
- Direktes Abzählen der Zerfallsarten von Teilchen und Antiteilchen haben am Forschungszentrum SLAC ein erhebliches Ungleichgewicht zugunsten der Teilchen aus normaler Materie ergeben.
- Dieses Ergebnis wird im Zusammenhang mit der Tatsache gesehen, wieso wir aus Materie und nicht aus Antimaterie bestehen.
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