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Die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften hat den diesjährigen Nobelpreis für Physik an Peter Higgs und François Englert vergeben. Wir befragten dazu Heinrich Leutwyler, bis zu seiner Pensionierung Professor für theoretische Physik an der Universität Bern. Leutwyler, der am 12. Oktober seinen 75. Geburtstag feiern kann, hat international anerkannte Beiträge zur Entwicklung der Quantenchronodynamik geleistet. Er hat die Entwicklung des modernen Standardmodells der Teilchenphysik von Anfang an miterlebt und in Teilen mitgeformt. Im Interview erläutert der Berner Physiker den historischen Kontext, der zur Entdeckung des Higgs-Mechanismus führte, und er erläutert die Bedeutung des Nobelpreises für die heutige Gesellschaft.
Herr Prof. Leutwyler, Peter Higgs veröffentlichte die theoretische Arbeit über das, was heute 'Higgs-Mechanismus' und 'Higgs-Teilchen' genannt wird, im Jahr 1964. Haben Sie seine Arbeit damals als angehender Physiker zur Kenntnis genommen?
Heinrich Leutwyler: Nein. In der Teilchenphysik wurden in den 1960er Jahren viele völlig verschiedene mathematische Modelle vorgeschlagen, um die eine oder andere Beobachtung erklären zu können – die allermeisten davon ohne Erfolg. Ich hatte 1962 in Bern auf dem Gebiet der Gravitationstheorie meine Dissertation verfasst und erhielt dann ein Stipendium, um mich an der Universität Princeton/USA weiterbilden zu können. Dort konnte ich vor allem meine Kenntnisse in der Teilchenphysik vertiefen. Mit dem mathematischen Modell, welches Higgs und andere erfanden, kam ich erst später in Kontakt, nachdem ich nach Bern zurückgekehrt war und mich dort 1965 habilitiert hatte.
Die schwache Wechselwirkung – auch schwache Kernkraft genannt – ist eine der vier Grundkräfte der Natur, neben Gravitation, starker Wechselwirkung und Elektromagnetismus. Die schwache Wechselwirkung können wir Menschen im Alltag nicht direkt beobachten, aber sie spielt eine wichtige Rolle beim Zerfall von Atomkernen oder bei der Kernfusion. Was hat diese Kraft mit dem Higgs-Mechanismus zu tun?
Das Higgs-Modell beweist, dass die durch Eichfelder vermittelten Kräfte eine der fundamentalen Eigenschaften der starken und der schwachen Wechselwirkung aufweisen können: diese haben kurze Reichweite, das heisst, sie fallen viel rascher ab als die elektromagnetische Wechselwirkung, wenn der Abstand zwischen den Teilchen wächst. Heute wissen wir, dass die Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung mit diesem Modell gut erklärt werden können. Zur Zeit, als Peter Higgs seine Arbeit veröffentlichte, war dies keineswegs plausibel. Der italienische Physiker Enrico Fermi hatte in den 1930er Jahren eine Theorie gefunden, welche die Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung bei niedrigen Energien gut beschreibt. Aber schon damals wusste man, dass die Theorie bei höherer Energie nicht mehr funktionieren würde. Daher suchten die theoretischen Physiker nach neuen Modellen, die auch bei höheren Energien die schwache Wechselwirkung erklären würden.
Dabei stiessen sie auf das Higgs-Feld?
Richtig! Higgs und andere Forscher untersuchten, was passiert, wenn Eichfelder mit einem skalaren Feld in Wechselwirkung treten. Vom elektromagnetischen Feld her war zwar seit langem bekannt, dass Eichfelder in der Natur eine wichtige Rolle spielen. Dass sie aber vermutlich auch von skalaren Feldern Gebrauch macht, zeigte sich erst Ende der 1960er Jahre. Im Gegensatz zur Theorie von Fermi bricht das Higgs-Modell bei hohen Energien nicht auseinander. Mit den damals verfügbaren Experimentieranlagen konnte allerdings noch nicht überprüft werden, ob die Theorie bei höheren Energien nicht nur konsistent bleibt, sondern mit den Beobachtungen tatsächlich auch übereinstimmt. Wie wir heute wissen, hat das Higgs-Teilchen eine Energie von 120 Gigaelektronenvolt (GeV). Die Energien, die man damals experimentell erforschen konnte, waren mehr als 100 mal kleiner. Damit lag der experimentelle Nachweis des Higgs-Teilchens, das Theoretiker wie Peter Higgs damals voraussagten, noch in weiter Ferne. Es sollte bis 2012 dauern, bis das am Europäischen Labor für Teilchenphysik (CERN) in Genf gelingen sollte.
Aber man hoffte damals schon, dass es in Zukunft einmal gelingen könnte, die entwickelten Modelle experimentell zu überprüfen?
Ja, diese Hoffnung war eine sehr starke Motivation, entsprechende Erklärungsmodelle zu entwickeln.
Waren die 1960er Jahre ein Goldenes Zeitalter der Teilchenphysik – oder eher eine Zeit der Irrwege?
In meiner Studienzeit Ende der 1950er Jahre war die Teilchenphysik eine Ansammlung völlig verschiedenartiger Theorien, die einander widersprachen. Es wurde an vielen Theorien gebastelt, aber nichts hat funktioniert! Viele Dissertationen der damaligen Zeit standen noch unter dem Einfluss der Elektrodynamik, also der Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung. Diese war sehr erfolgreich und konnte zum Beispiel die meisten Eigenschaften der Atome erklären. Die drei anderen Grundkräfte der Natur – die schwache und starke Wechselwirkung sowie die Gravitation – hatte man hingegen noch nicht verstanden. In diesen Bereichen gab es daher in den 1960er Jahren viele Bemühungen. Dabei wurden einzelne Mosaiksteine gefunden. Einer davon ist das Higgs-Modell.
Erst in den 1970er Jahre wurde eine Theorie der Teilchenphysik gefunden, welche sowohl die starke als auch die schwache Wechselwirkung umfasst. Für das Verständnis der schwachen Wechselwirkung leisteten die US-Physiker Steven Weinberg und Sheldon Lee Glashow sowie der gebürtige Pakistaner Abdus Salam zentrale Beiträge. Insbesondere Weinberg und Salam zeigten, dass das Higgs-Modell die zentralen Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung erklärt.
Die Vorstellung, dass ein skalares Feld den Teilchen eine Masse gibt, ist übrigens eine Vorstellung, die nur bei der schwachen Wechselwirkung in der Natur realisiert ist, nicht aber bei den anderen Naturkräften. Für ihre Arbeiten haben Weinberg, Salam und Glashow 1979 den Nobelpreis bekommen. Sie haben das Verständnis der schwachen Wechselwirkung ganz entscheidend verbessert.
Die Theorie von Peter Higgs wurde in den 1960er Jahren also noch nicht als herausragendes Ereignis gefeiert?
Nein. Andere Ideen haben damals höhere Wellen geschlagen. So das Quark-Modell der US-Physiker Murray Gell-Mann und George Zweig, das 1964 postulierte, dass Protonen und Neutronen aus sogenannten Quarks zusammengesetzt sind, die von der starken Wechselwirkung zusammengebunden werden. Eine Erkenntnis, die für unser Verständnis der Kernkräfte von zentraler Bedeutung ist.
Oder da war das Mitte der 1960er Jahre vorgestellte Veneziano-Modell, benannt nach dem italienischen Physiker Gabriele Veneziano. Der Hintergrund dieses Modells war, dass man in den 1950er Jahren dank des Baus starker Beschleuniger – unter anderem am CERN – immer neue Elementarteilchen entdeckte. Das Veneziano-Modell trat mit dem Anspruch auf, diesen ganzen Reichtum neu entdeckter Teilchen durch eine simple Theorie auf einfache Art zu erklären, dies nach der Grundidee: Bei immer höherer Energie entstehen immer noch weitere Teilchen, im Prinzip unendlich viele. Das Veneziano-Modell konnte die Beobachtungen erklären, die man damals mit den Beschleunigern machte – und erregte deshalb viel Aufsehen. Heute wissen wir aber, dass dieses Modell der Natur nicht gerecht wird.
Peter Higgs hat den nach ihm benannten Higgs-Mechanismus nicht allein entdeckt, und so steht der Nobelpreis nicht allein ihm zu?
Higgs hat dem Phänomen zwar seinen Namen gegeben. Aber mehrere Leute hatten die Idee, die Wechselwirkung zwischen einem Eichfeld und einem skalaren Feld zu untersuchen. Peter Higgs war einer davon. In dieselbe Richtung dachten die Belgier François Englert und Robert Brout, die Amerikaner Gerald Guralnik und Carl Richard Hagen sowie der Brite Tom Kibble.
Das Nobelkomitee hat mit Higgs und Englert zwei Theoretiker ausgezeichnet, die Mitte der 1960er Jahre die Higgs-Theorie entwickelten, nicht aber jene, die 2012 das Higgs-Teilchen experimentell nachgewiesen haben.
Nun wurde nur die theoretische Seite gewürdigt, ja. Ich halte das nicht für angemessen. Man muss unbedingt auch die experimentelle Tätigkeit anerkennen, die zur Entdeckung des Higgs-Teilchens geführt hat. Laut den Statuten darf der Nobelpreis aber nicht an mehr als drei Personen vergeben werden. Das Nobelkomitee hatte also keine einfache Aufgabe.
Klar ist aber auch: Ohne die theoretischen Vorstellungen hätte man die Experimente am CERN zwar durchführen können, aber man hätte die gewonnen Daten nicht verstanden und hätte Sie nicht zu einem neuen Verständnis der Welt zusammensetzen können.
Welche Bedeutung hat der Nobelpreis in der heutigen Welt?
Der Nobelpreis hat eine sehr wichtige Funktion, weil er es schafft, den Fokus der Öffentlichkeit auf wissenschaftliche Themen zu lenken. Eine Fussball-Weltmeisterschaft zieht von Natur aus die Aufmerksamkeit auf sich. In der Wissenschaft kommen Entdeckungsschritte erstens nur zögerlich zu Anerkennung, und zweitens ist es meistens ziemlich schwierig, die Bedeutung dieser Entdeckungen zu erklären. Der Nobelpreis ist ein hervorragendes Mittel, wichtige Fortschritte zu bezeichnen und einen Teil dieses Wissens an die Öffentlichkeit zu tragen. Unsere Gesellschaft ist sicher nur dann bereit, der wissenschaftlichen Forschung die benötigten Mittel zur Verfügung zu stellen, wenn sie sich davon überzeugen kann, dass damit wichtige Erkenntnisse erzielt werden.
Interview: Benedikt Vogel (veröffentlicht: 8. 10. 2013)