physikBlog erklärt: Nobelpreis 2008 in Physik

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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 arbeiten1, 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-Modells2 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 Urknall3, 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 konnten4. 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 inklusive5.

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

  1. Zerbrechen zu schnell und werden so schnell dreckig. []
  2. Ariba ariba! []
  3. Die älteren Leser mögen sich noch daran erinnern. []
  4. Die Quark-Mischende CKM-Matrix ist übrigens von den beiden Hübschen. []
  5. Und da sag einer, Physiker hätten keinen Humor. In einer Nobelpreiserklärung davon erzählen, man müsse aufpassen, wenn man das nächste mal Aliens umarmt, dass sie nicht aus Antimaterie bestehen. In einer Nobelpreiserklärung. Hihi. []
Kurzlink
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13 Antworten auf physikBlog erklärt: Nobelpreis 2008 in Physik

  1. Kaal sagt:
    #1

    Der kürzeste Witz in der Teilchenphysik ist ja wohl “Jetzt hab ich es verstanden”. Aber zumindest hab ich jetzt eine Idee, worum es geht. Besten Dank für den Artikel!

  2. André sagt:
    #2

    Ich glaube die Sache ist auch, dass wir jetzt gerade erst ein bisschen darüber im Studium gehört haben. So richtig aber dann doch noch nicht, geschweige denn komplett verstanden.

    Aber freut mich, dass es für dich nun immerhin etwas klarer geworden ist ;)

  3. Basti sagt:
    #3

    Der Cabbibo muss doch gerade unglaublich schlechte Laune haben (der ist das C in der CKM-Matrix). Und das nur weil er nur bis zwei gezählt hat und die dritte Generation nicht vorausgeraten hat. Aber vielleicht sind auch Italiener einfach gerade nicht dran mit nobeliert werden.

    Ich versteh das alles auch nicht. Das passt vorne und hinten nicht zusammen. Also ich dachte das mit den Kätzchen hätte ich so langsam verstanden, aber jetzt kommen noch Gnus dazu… das wird mir zu komplex.

  4. Geisler sagt:
    #4

    …sind Katzen eigentlich Rudeltiere?

  5. Andi sagt:
    #5

    Nur sogenannte Nachbarschaftskatzen sind Rudeltiere. 1986 entdeckte der Forscher Peter K. Atze in einem Vorort vor Oklahoma City, dass sich das Eigenbrödlerverhalten der bis dato als egoistisch eingestuften Katzen in eben jenen Vororten zu einem Rudelverhalten entwickelte. Primär wurde dieses Phänomen anhand von Autos festgestellt. Darunter verstecken sich die rudeligen Nachbarschaftskatzen nämlich immer.

    Etwas trivialer siehts mit Kugelkatzen aus. Die wollen natürlich ihre maximale Packungsdichte erreichen. Das macht sie automatisch zu Rudelkugelkatzen. (Hihi, Rudelkugel, Rudelkugel, Rudelkugel)

  6. Basti sagt:
    #6

    Aufgabe für die anwesenden theoretischen Physiker: Berechne die Packungsdichte der dichtesten Katzenpackung für nicht-kugelige Standardkatzen.
    Regeln:
    -Katzen dürfen verformt werden, müssen aber nach Entpackung noch lebensfähig sein.
    -Jede Katze muss Zugang zu Luft haben.
    -Es muss Periodizität herrschen: Da beißt sich die Katze in den Schwanz.
    Zusatzaufgabe: Bestimme den Einfluss einer Fremdspezies (z.B. Hund oder Maus) in der Katzenpackung. Ab welcher Fremdspezieskonzentration wird die Packung instabil?

    Aufgabe für experimentell orientierte Physiker: Sammle mindestens 100 Katzen (geht am Besten nachts, entweder in Gärten (bei Standardkatzen) oder unter Autos (bei Rudel- sowie Rudelkugelkatzen). Stecke die Katzen in ein Gefäß und beobachte, wie sie sich organisieren. Entwickle ein Verfahren zur Strukturuntersuchung (Gewehre, Laser und Röntgenstrahlung sind tabu). Bringe eine Fremdspezies ein und bestimme die Katzenpackungsfremdspezieskonzentrationsinstabilitätsgrenze.

  7. Geisler sagt:
    #7

    …hab die Katzen

    Auf grund der vielen schwarzen masse entstehen aber zu viele singularitätskatzen, hab versucht sie über den residuensatz wegzuintegrieren, passiert aber nichts :(
    hab die katzen als reibungsfrei im vakuum befindliche punktmassen genähert…

    hilf mir bitte einer, sonst hab ich hier bald n schwarzes-katzen-loch das alle katzen in sich aufnimmt in meinem zimmer

  8. Andi sagt:
    #8

    Das physikBlog distanziert sich hier mit ausdrücklich von Experimenten mit Tieren! Kinder, kauft lieber Lippenstift.

    @Basti: Ich glaube, hier lesen gar keine Theo-Physiker mit. Die haben wichtigeres zu tun. Verwirrt sein zum Beispiel. Oder die nächste, seltsame Theorie beweisen.

    @Geisler: Du kannst Katzen wegen ihres Fells nicht als reibungsfrei annehmen! Für Kugelkatzen mag das gelten, aber bei normalen Katzen gibts viel zu viel Oberfläche für Reibungsfreiheit. Ich denke, dadurch kriegst du auch dein Schwarzes Loch weg ;).

  9. Basti sagt:
    #9

    Katzensingularitäten, die sich zu schwarzen Katzenlöchern zu entwickeln drohen, müssen mit dem Schwarzes-Katzenloch-Notfallset behandelt werden. Dies beinhaltet ein Wollknäuel und eine Portion Kitekat. Es ist von jedem Experimentator immer mitzuführen!

    @Andi: Experimente mit Tieren? Wer redet den hier von Tieren? Ich distanziere mich von Experimenten mit Lippenstift! Kinder, kauft lieber Murmeln.

  10. Oli sagt:
    #10

    Ich lese mit ;)
    Aber die Aufgabe ist noch zu praktisch, Katzen an sich sind ja schon praktisch.

  11. Geisler sagt:
    #11

    …find katzen mit lippenstift sehen scheiße aus…
    und danke hat geklappt, das wollknäuel war die lösung..

    und da ist auch schon das nächste problem, hab 100 katzen zu verkaufen, wenn einer eine haben möchte, hab sie alle, kugel- und auch nachbarschaftskatzen, sogar die seltenen sombrero-katzen, die ja heutzutage nur in schwarzen-katzen-löchern entstehen können, weil man für diese art viel schwarze-katzen-energie braucht..

  12. Mlle Différentielle sagt:
    #12

    Irgendwie bin ich ja es bitzeli beruhigt, dass auch ihr ein bisschen Mühe hattet, das einfach zu erklären. Diese ganzen Symmetriegeschichten und ihre Verletzungen auf ein allgemein verständliches Niveau zu bringen finde ich extrem schwierig (…”Du studierst das doch, erklär doch mal ” Hahaha). Naja. Ich will ja auch nicht behaupten, dass ich es wirklich in seiner ganzen Bedeutung begriffen habe.

    Achja, und Katzen würde ich gerne nehmen- mit oder ohne Lippenstift.

  13. Andi sagt:
    #13

    Ja, allgemeinverständlich das zu schreiben ist wirklich … nicht wirklich möglich ;).

    Lustigerweise hat heute unser Professor seine Vorlesung mit der CP-Verletzung gestartet. Mal schauen, ob wir dann zu den Nobelprofis werden.