Vom Kern zum Cern - oder die Farben der Freiheit in der Teilchenphysik

Im Innersten von Atomkernen passieren Dinge, die merkwürdig klingen: Wenn zwei Teilchen nahe zusammenrücken, wird die Kraft, die zwischen ihnen wirkt, nicht stärker, sondern schwächer. Umgekehrt wird die Wechselwirkung zwischen ihnen umso stärker je weiter sie sich voneinander entfernen. Wie ein Gummiband, das zwei Kugeln zusammenhält, koppelt diese Kraft die Teilchen aneinander und hält sie im Atomkern fest.

Physiker bezeichnen diese Kraft als «starke Wechselwirkung» und zählen sie zu den vier Grundkräften, die das Verhalten von Körpern, Feldern, Teilchen und Systemen bestimmen. Die anderen drei Grundkräfte sind die schwache Wechselwirkung, der Elektromagnetismus und die Gravitation.

Die Wirkungen der «asymptotischen Freiheit»

Intuitiv widerspricht die starke Wechselwirkung der Erfahrung, die Menschen im Alltag machen. Auch für die Physiker war dieses Phänomen, das man heute die «asymptotische Freiheit» nennt, lange ein Paradox. Bis 1973. Dann gelang es David Gross, David Politzer und Frank Wilczek aufzuzeigen, dass eine bestimmte Klasse von Theorien die richtige war, um die starke Wechselwirkung und die «asymptotische Freiheit» schlüssig zu beschreiben. Dafür erhielten die drei 2004 den Nobelpreis für Physik.

«Diese Theorie und die Vorhersagen, die sie ermöglicht, waren ein wichtiger Schritt, um das Standardmodell der Teilchenphysik zu vollenden», sagt Charalampos Anastasiou, ETH-Professor für Theoretische Teilchenphysik. Das Standardmodell beschreibt die Elementarteilchen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen.

«Gross’ Forschung half mit, dass wir heute das Verhalten von Teilchen genauer verstehen. Das hat auch die Forschung mit dem LHC-Teilchenbeschleuniger am Kernforschungszentrum Cern weitergebracht», sagt Anastasiou, der mit seinen theoretischen Überlegungen und mathematischen Modellen seinen Teil zum Verständnis der Eigenschaften des Higgs-Boson-Teilchens beitrug. Die Existenz dieses Teilchens konnten die Physiker 2012 mit dem Large Hadron Collider experimentell nachweisen.

Nun kommt David Gross an die ETH Zürich: Als Referent der Paul Bernays Vorlesungen wird er allgemeinverständlich darstellen, wie sich die Teilchenphysik in den vergangenen hundert Jahren – von der Kernphysik zur Stringtheorie und weiter – entwickelt hat. «Auf der Grundlage der Quantenmechanik und der relativistischen Feldtheorie sah das vergangene Jahrhundert die Vollendung einer Theorie der Atom- und Kernmaterie», sagt David Gross, «diese Theorie ist bemerkenswert erfolgreich. Das überrascht vielleicht am meisten, dass die Grundprinzipien, die vor fast hundert Jahren formuliert worden sind, so robust und leistungsfähig geblieben sind.»

Physik mit philosophischem Anstrich

Die Paul Bernays Vorlesungen sind eine Ehrenvorlesungsreihe der drei ETH-Departemente Geistes-, Sozial- und Staatswissenschaften, Mathematik und Physik. Sie ist der Philosophie der Logik, Mathematik und Physik gewidmet. Eingeladen werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, deren Forschung die Grundlagen, Methoden und Begriffe der exakten Wissenschaften reflektiert und weiterentwickelt.

«David Gross verkörpert diese Verbindung von physikalischer Grundlagenforschung und wissenschaftsphilosophischer Relevanz ganz hervorragend, schliesslich hat er Theorien und Konzepte in die Teilchenphysik eingeführt, die unser heutiges Verständnis der materiellen Wirklichkeit ganz entscheidend prägen», sagt Norman Sieroka. Der ETH-Philosoph ist Beirat der Paul Bernays Vorlesungen und Autor einer «Philosophie der Physik».

Tatsächlich werfen die Entdeckung der asymptotischen Freiheit und die theoretischen Arbeiten von David Gross ein Schlaglicht auf die Geschichte der Teilchenphysik und wie sie sich nach dem Zweiten Weltkrieg aus der früheren Kernphysik heraus entwickelt und etabliert hat: Seit 1911 wussten die Physiker, dass sich Atomkerne aus Protonen und Neutronen zusammensetzen und von einer Atomhülle aus frei beweglichen Elektronen umgeben sind.

Die Spur der «Farbladung»