Was die Welt zusammenhält

Über Geschmack lässt sich bekanntlich streiten, und auch darüber, welche Farbe mit welcher kombiniert werden kann. In der Teilchenphysik hingegen gibt es in diesen Fragen keinen Dissens. Die Theorie legt die Eigenschaften der kleinsten Teilchen präzise fest. Die Quarks, aus denen alle Atomkerne zusammengesetzt sind (siehe Grafik), gibt es in sechs so genannten Geschmacksrichtungen, und sie tragen je eine von drei Farben. Ein Proton besteht beispielsweise aus zwei Quarks der Geschmacksrichtung Up und einem Down-Quark. Damit das Proton farblich neutral bleibt, wie die Physiker sagen, muss eins der Quarks rot, eins blau und eins grün sein.So skurril das dem Laien vorkommt - diese Theorie, Quantenchromodynamik genannt, ist in modernen Teilchenbeschleunigern mit großer Genauigkeit bestätigt worden. Daher war es nur eine Frage der Zeit, bis für diese Entdeckung ein Nobelpreis vergeben wird. Im Dezember dieses Jahres, das gab die Königliche Schwedische Akademie der Wissenschaften am gestrigen Dienstag bekannt, wird es soweit sein: Die US-Physiker David Gross, Frank Wilczek und David Politzer werden die mit 1,1 Million Euro dotierte Auszeichnung erhalten.Die Leistung, für die drei Physiker geehrt werden, liegt schon lange zurück. 1973 erschienen im Fachjournal Physical Review Letters zwei Artikel, in denen die Forscher ein ungewöhnliches Phänomen beschreiben: Die Kraft, die die Quarks zusammenhält, wird umso schwächer, je näher sich die Teilchen kommen. Im Innern eines Protons sind sie fast frei. Dennoch kann man sie kaum aus ihrer Verbindung mit den anderen Quarks lösen. Wie durch ein Gummiband, das umso stärker zieht, je weiter es gedehnt wird, würden die Teilchen wieder zurückgezogen. Ohne zu übertreiben, kann man daher sagen, dass Gross, Wilczek und Politzer eine Theorie darüber formuliert haben, was die Welt im Innersten - nämlich im Atomkern - zusammenhält.In den folgenden Jahren wurde diese theoretische Vorhersage wieder und wieder experimentell überprüft. "Es gibt kaum ein Experiment mit Teilchenbeschleunigern, das ohne die Quantenchromodynamik zu erklären wäre", sagt Robert Klanner, Forschungsdirektor am Hamburger Forschungszentrum Desy. Durch die Arbeit von Gross, Wilczek und Politzer sei die Theorie der Quarkbindung experimentell überprüfbar geworden.Schon 1978 hat man am Desy vermessen, wie stark die Quarks zusammenhängen. Damals schossen die Physiker Elektronen auf Positronen, die sich dabei gegenseitig vernichten und zwei Quarks erzeugen. Je heftiger die Teilchen zusammenstoßen, umso enger rücken die Quarks zusammen und umso schwächer sind sie aneinander gebunden. Daher konnte man bei besonders starken Zusammenstößen nur eine schwache Kraft messen.Dass die Kraft kleiner wird, wenn die Quarks zusammenrücken, hängt damit zusammen, dass sich die Bindeteilchen - die Gluonen - gewissermaßen selbst bei der Arbeit behindern. Auch sie tragen Farben wie die Quarks und binden sich daher gegenseitig - was die Theorie auch für Fachleute kompliziert macht.Die beiden Aufsätze aus dem Jahr 1973 gingen aus Doktorarbeiten hervor: Wilzek, damals 21-jährig, promovierte gerade bei Gross in Princeton; Politzer schrieb unabhängig von den anderen seine Dissertation in Harvard. Dass die Wissenschaftler so lange auf ihren Preis warten mussten, erklären sich einige ihrer Fachkollegen mit einer weiteren Theorie: Da das Nobelkomitee jedes Jahr nur drei Physiker ehren kann, muss es manchmal bedeutende Beiträge unerwähnt lassen. "Die Teilchenphysik entwickelte sich in den 60er- und 70er-Jahren stürmisch", erzählt beispielsweise Robert Klanner. Viele andere Forscher hätten ebenfalls zur Quantenchomodynamik beigetragen, die nun leer ausgingen.Als Beispiel nennt Klanner den Münchner Physiker Harald Fritzsch. Fritzsch hat - gemeinsam mit dem Erfinder der Quarks, Murray Gell-Mann - die Theorie der Quantenchromodynamik formuliert, aus der Gross, Wilczek und Politzer später ableiteten, wie sich die Bindungskraft zwischen den Quarks verhält. Der Genannte zeigte sich am Telefon gefasst: "Damit kann ich leben" - er habe mit dieser Entscheidung fast gerechnet.Physical Review Letters, Bd. 30, S. 1343 und 1346------------------------------Früher Durchbruch, späte Ehrung // Frank Wilczek war erst 21 Jahre alt, als er mit seinem Doktorvater David Gross eine Theorie über die Kraft entwickelte, die Quarks - die Grundbausteine der Atomkerne - zusammenhält. Sie wurde in den folgenden Jahren mehrfach bestätigt und gilt spätestens seit Anfang der neunziger Jahre als allgemein anerkannt. Am 10. Dezember werden die beiden Physiker - gemeinsam mit dem Physiker David Politzer - den Nobelpreis für Physik erhalten.Die beiden Amerikaner werden von ihren Fachkollegen sehr geschätzt. Wilczek (heute 53 Jahre alt) ist Professor am Massachusetts Institute of Technology, Gross (63) lehrt an der University of California in Santa Barbara. Beide werden von Fachkollegen als gebildete und interessante Gesprächspartner beschrieben. Wilczek soll seine Kollegen sehr pointiert kritisieren können.David Politzer entwickelte die Theorie der Quarkbindung unabhängig von den beiden anderen im Rahmen seiner Doktorarbeit. Der Amerikaner ist heute Professor am California Institute of Technology in Pasadena. Seit der Entdeckung, für die er sich den Nobelpreis mit Gross und Wilczek teilt, ist er nach Einschätzung einiger Fachkollegen kaum in Erscheinung getreten.Über Politzers Privatleben ist nur wenig bekannt. Selbst das Nobelpreiskomitee weiß offenbar nicht, wie alt er ist. Er soll jedoch gerne Theater spielen, berichtet ein Kollege. (amd.)------------------------------Der Aufbau eines Atoms // Grafik: Atomkerne (links ein Heliumkern) bestehen aus Protonen und Neutronen. Sie werden von negativ geladenen Elektronen umkreist. Die Bausteine des Atomkerns setzen sich wiederum aus drei Partikeln zusammen: den Quarks, genauer gesagt den Up- und den Down-Quarks. Sie besitzen Bruchteile elektrischer Ladungen, die beim Proton zusammen 1 und beim Neutron 0 ergeben. Verbunden sind sie durch Klebeteilchen, die Gluonen (als Federn dargestellt).------------------------------Foto: Frank Wilczek------------------------------Foto: David Politzer------------------------------Foto: David Gross