English
German
French
Swedish

12 Oktober 1999

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften hat den Nobelpreis in Physik für das Jahr 1999 gemeinsam verliehen an

Professor Gerardus ‘t Hooft, Utrecht Universität, Utrecht, Niederlande, und
Professor emeritus Martinus J.G. Veltman, Michigan Universität, USA, ansäßig in Bilthoven, Niederlande.

Die beiden Forscher erhalten den Nobelpreis dafür, daß sie die Theorie der Elementarteilchenphysik auf festeren mathematischen Grund gestellt haben. Sie haben im speziellen gezeigt, wie die Theorie zu genauen Berechnungen physikalischer Grössen angewendet werden kann. Experimente an den Teilchenbeschleunigerlaboratorien in Europa und den USA haben kürzlich viele der berechneten Ergebnisse bestätigt.

Entscheidung der Akademie der Wissenschaften:
“für ihre entscheidenden, die Quantenstruktur betreffenden Beiträge zur Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung in der Physik”.

Die Theorie der Elementarteilchenphysik auf festerem mathematischen Grund

Die alltäglichen Gegenstände in unserer Umgebung sind alle aus Atomen, die aus Elektronen und Atomkernen bestehen, aufgebaut. Innerhalb der Atomkerne befinden sich Protonen und Neutronen, die wiederum aus Quarks aufgebaut sind. Um die Materie auf diesem innersten Niveau zu studieren, benötigt man große Beschleuniger. Diese wurden erst in den 50er Jahren gebaut und das bedeutete die Geburt der modernen Elementarteilchenphysik. Zum ersten Mal konnten die Forscher energiereiche atomare Partikel kontrollierbar zusammenstoßen lassen. Dadurch konnte man sowohl das Entstehen neuer Teilchen als auch die Beschaffenheit der Kräfte, die zwischen ihnen wirken, studieren.

Ungefähr in der Mitte der 50er Jahre wurde auch die erste Fassung einer modernen Theorie formuliert, die nach vielen Jahren der Bearbeitung nun zu dem Standardmodell in der Elementarteilchenphysik Anlaß gegeben hat. Gemäß diesem Modell werden alle Elementarteilchen in drei Familien von Quarks und Leptonen eingeteilt, welche mit Hilfe von einer Anzahl von Austauschteilchen für die starken und elektroschwachen Kräfte wechselwirken. (Siehe Abb. 1) Das theoretische Fundament des Standardmodells war aus mathematischem Gesichtspunkt von Anfang an unvollständig und es war vor allem unklar, ob die Theorie überhaupt zu detaillierten Berechnungen physikalischer Größen verwendet werden könnte. In diesem Jahr werden Gerardus ‘t Hooft und Martinus J.G. Veltman dafür mit dem Nobelpreis ausgezeichnet, daß sie diese Theorie auf festeren mathematischen Grund gestellt haben. Dadurch haben die Forscher nun auch eine gut funktionierende “theoretische Maschinerie”, die unter anderem zur Vorhersage von Eigenschaften neuer Teilchen verwendet werden kann.

Abb. 1 Die fundamentalen Teilchen der Materie sind sechs Leptonen und sechs Quarks. In dem Standardmodell der Teilchenphysik werden die Kräfte zwischen diesen durch Quantenfeldtheorien beschrieben, die alle vom Typ nicht-abelscher Eichtheorien sind. Die elektroschwache Kraft wird von vier Austauschteilchen übertragen. Das sind die masselosen Photonen (gamma) und die drei schweren Teilchen W+, W – und Z0. Die starke Kraft wird von acht masselosen sogenannten Gluonen g übertragen. Die Theorie sagt voraus, daß es über diese zwölf Austauschteilchen hinaus ein sehr schweres Teilchen, das Higgs-Teilchen H0, gibt, dessen Feld alle diese vielen Teilchen verursacht

Neuer Name für alte Theorie
Die heute in dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik verwendeten modernen Theorien, welche die Wechselwirkung zwischen den Teilchen beschreiben, sind alle sogenannte Eichtheorien. Der Name bezieht sich auf eine spezielle Eigenschaft dieser Theorien, die Eichsymmetrie, die von vielen Forschern als eine der fundamentalsten Eigenschaften der Physik angesehen wird. Aber schon um 1860 formulierte der Schotte James Clerk Maxwell eine Theorie für den Elektromagnetismus, die in heutiger, moderner Terminologie eine Eichtheorie ist. Seine Theorie, die auch heute noch Gültigkeit besitzt, vereinte Elektrizität mit Magnetismus und sagte unter anderem die Existenz von Radiowellen voraus.

Man kann den Begriff Eichsymmetrie auf folgende Art anschaulich machen: Elektrische und magnetische Felder können mit Hilfe von Potentialfunktionen dargestellt werden. Diese Funktionen können nach einem gewissen Schema ausgetauscht (eichtransformiert) werden ohne daß sich die Felder deswegen ändern. Die allereinfachste Transformation ist die Addition einer Konstanten zu den elektrischen Potentialen. Physikalisch verdeutlicht dieses die wohlbekannte Tatsache, daß das elektrische Potential von einem willkürlichen Nullpunkt aus gerechnet werden kann; nur Änderungen im Potential spielen eine Rolle. Deshalb kann ein Eichhörnchen auf einer Hochspannungsleitung entlang laufen ohne Schaden zu nehmen. Die Möglichkeit einer derartigen Verschiebung des Nullpunkts wird von den Physikern als eine Symmetrie in der Theorie, eine Eichsymmetrie, aufgefaßt.

Es zeigt sich, daß es bei der Ausführung von zwei Eichtransformationen nacheinander keine Rolle spielt, in welcher Reihenfolge man vorgeht. Deshalb pflegt man den Elektromagnetismus als eine abelsche Eichtheorie zu bezeichnen nach dem norwegischen Mathematiker Niels Henrik Abel, der von 1802 bis 1829 lebte. (Ein einfaches Beispiel für Transformationen, die abelsch sind, sind Drehungen in der Ebene. Versuchen Sie selbst mit einem Bleistift! Siehe Abb. 2).

Abb. 2a) Ein Beispiel für eine Gruppe abelscher Transformationen sind die Drehungen in einer zweidimensionalen Ebene.

Abb. 2b) Ein Beispiel für eine Gruppe nicht-abelscher Transformationen sind Drehungen im dreidimensionalen Raum.

Vereinigte elektromagnetische und schwache Wechselwirkung
Die Entdeckung und das Studium der Radioaktivität und die spätere Entwicklung der Kernphysik gab in der ersten Hälfte des 20sten Jahrhunderts Anlaß zu Begriffen wie starke und schwache Wechselwirkung. Einfach ausgedrückt hält die starke die Atomkerne zusammen, während die schwache gewisse Atomkerne radioaktiv zerfallen läßt. Schon in den 30er Jahren wurde eine erste Quantenfeldtheorie für schwache Wechselwirkung formuliert. Diese Theorie litt unter Problemen die noch schlimmer waren als diejenigen, die die Quantenelektrodynamik hatte und nicht einmal die von Tomonaga, Schwinger und Feynman entwickelte Renormierungsmethode konnte die Probleme lösen.

Aber in der Mitte der 50er Jahre fanden einige Forscher ein erstes Beispiel für eine Quantenfeldtheorie mit neuen Eigenschaften, eine nicht-abelsche Eichtheorie. Zum Unterschied von der abelschen Variante, in welcher Eichtransformationen unabhängig von der Reihenfolge ausgeführt werden können, beruhen die Ergebnisse in der nicht-abelschen auf der Reihenfolge. Das gibt der Theorie eine kompliziertere mathematische Struktur, aber eröffnet auch neue Möglichkeiten. (Ein einfaches Beispiel für Transformationen, die nicht-abelsch sind, sind Drehungen im Raum. Versuchen Sie selbst mit einem Bleistift! Siehe Abb. 2b.)

Die neuen Möglichkeiten der Theorie wurden erst in den 60er Jahren voll genutzt, als eine Reihe von Forschern bei der Entwicklung einer nicht-abelschen Eichtheorie mitwirkten, welche die elektromagnetische mit der schwachen Wechselwirkung zu einer elektroschwachen Wechselwirkung vereinigt (Nobelpreis 1979 für Sheldon L. Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg). Diese Quantenfeldtheorie sagte unter anderem die neuen Teilchen W und Z voraus, die 1983 am europäischen Beschleunigerlabor CERN, Genf (Nobelpreis 1984 für Carlo Rubbia und Simon van der Meer) nachgewiesen wurden.

Die Quantenelektrodynamik ist in letzter Zeit mit größerer Sorgfalt als irgendeine andere physikalische Theorie geprüft worden. So ist es z.B. Hans Dehmelt (Nobelpreis in Physik 1989) gelungen, in einer Ionenfalle den Magnetismus des Elektrons mit einer Genauigkeit von 12 Ziffern zu messen. Die ersten 10 Ziffern konnten mit dem berechneten Ergebnis verglichen werden und sie stimmten überein.

Vereinigte elektromagnetische und schwache Wechselwirkung
Die Entdeckung und das Studium der Radioaktivität und die spätere Entwicklung der Kernphysik gab in der ersten Hälfte des 20sten Jahrhunderts Anlaß zu Begriffen wie starke und schwache Wechselwirkung. Einfach ausgedrückt hält die starke die Atomkerne zusammen, während die schwache gewisse Atomkerne radioaktiv zerfallen läßt. Schon in den 30er Jahren wurde eine erste Quantenfeldtheorie für schwache Wechselwirkung formuliert. Diese Theorie litt unter Problemen die noch schlimmer waren als diejenigen, die die Quantenelektrodynamik hatte und nicht einmal die von Tomonaga, Schwinger und Feynman entwickelte Renormierungsmethode konnte die Probleme lösen.

Aber in der Mitte der 50er Jahre fanden einige Forscher ein erstes Beispiel für eine Quantenfeldtheorie mit neuen Eigenschaften, eine nicht-abelsche Eichtheorie. Zum Unterschied von der abelschen Variante, in welcher Eichtransformationen unabhängig von der Reihenfolge ausgeführt werden können, beruhen die Ergebnisse in der nicht-abelschen auf der Reihenfolge. Das gibt der Theorie eine kompliziertere mathematische Struktur, aber eröffnet auch neue Möglichkeiten. (Ein einfaches Beispiel für Transformationen, die nicht-abelsch sind, sind Drehungen im Raum. Versuchen Sie selbst mit einem Bleistift! Siehe Abb. 2b.)

Die neuen Möglichkeiten der Theorie wurden erst in den 60er Jahren voll genutzt, als eine Reihe von Forschern bei der Entwicklung einer nicht-abelschen Eichtheorie mitwirkten, welche die elektromagnetische mit der schwachen Wechselwirkung zu einer elektroschwachen Wechselwirkung vereinigt (Nobelpreis 1979 für Sheldon L. Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg). Diese Quantenfeldtheorie sagte unter anderem die neuen Teilchen W und Z voraus, die 1983 am europäischen Beschleunigerlabor CERN, Genf (Nobelpreis 1984 für Carlo Rubbia und Simon van der Meer) nachgewiesen wurden.

Die Geschichte wiederholt sich
Die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung, die in den 60er Jahren entwickelt wurde, war sicherlich ein großer Schritt vorwärts, aber die Wissenschaftler hatten es zuerst schwer, sie zu akzeptieren. Als man die Theorie zur Berechnung näherer Eigenschaften der neuen Teilchen W und Z (und vieler anderer physikalischer Größen) anwenden wollte, lieferte sie sinnlose Ergebnisse. Die Situation war der in den 30er Jahren ähnlich, bevor es Tomonaga, Schwinger und Feynman gelang, die Quantenelektrodynamik zu renormieren. Viele Forscher waren pessimistisch über die Möglichkeiten, mit einer derartigen Theorie weiterzukommen.

Einer, der nicht die Hoffnung aufgegeben hatte, nicht-abelsche Eichtheorien renormieren zu können, war Martinus J.G. Veltman. Er war zu Ende der 60er Jahre neu ernannter Professor an der Universität in Utrecht. Veltman hatte ein Computerprogramm Schoonschip entwickelt, welches symbolisch algebraische Vereinfachungen der komplizierten Ausdrücke durchführte, die sich in allen Quantenfeldtheorien bei quantitativen Berechnungen ergeben. 20 Jahre früher hatte zwar Feynman das Berechnungsproblem systematisiert und die sogenannten Feynmandiagramme, die schnell in der Welt der Forschung angenommen wurden, eingeführt; aber damals gab es keine Computer. Veltman glaubte felsenfest an die Möglichkeit, einen Weg zu finden, um die Renormierung auszuführen, und sein Computerprogramm war ein Meilenstein in der umfangreichen Arbeit, verschiedene Ideen auszutesten.

Im Frühjahr 1969 bekam Veltman einen jungen, 22 Jahre alten Schüler, Gerardus ‘t Hooft, der seinen Wunsch ausgedrückt hatte, Hochenergiephysik studieren zu dürfen. Nachdem er eine erste kleine Abhandlung geschrieben hatte wurde ‘t Hooft im Herbst des gleichen Jahres als Doktorand angenommen. Die Aufgabe war, bei der Suche nach einer Methode zur Renormierung nicht-abelscher Eichtheorien mitzuarbeiten. Er war überaus erfolgreich und veröffentlichte schon 1971 zwei Arbeiten, die einen wichtigen Durchbruch im Forschungsprogramm darstellten.

Mit Hilfe von Veltmans Computerprogramm wurde nun ‘t Hoofts Teilergebnis bestätigt und gemeinsam arbeiteten sie eine funktionierende Berechnungsmethode im Detail aus. Somit war die nicht-abelsche Eichtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung eine funktionierende theoretische Maschinerie geworden und man konnte, genau wie vor 20 Jahren, mit genauen Berechnungen beginnen.

Die Aussagen der Theorie werden bestätigt
Wie schon oben dargestellt, sagte die elektroschwache Theorie schon von Anfang an die Existenz der neuen Teilchen W und Z voraus. Aber erst durch ‘t Hoofts und Veltmans Arbeiten konnte man beginnen, physikalische Größen, bei denen die Eigenschaften von W und Z eine Rolle spielen, genauer zu berechnen. In dem Beschleuniger LEP bei CERN ist es in letzter Zeit gelungen, große Mengen von W und Z unter kontrollierbaren Verhältnissen zu erzeugen. Vergleiche zwischen Messungen und Rechnungen haben immer große Übereinstimmung gezeigt und sie stärken dadurch die Aussagen der Theorie.

Eine spezielle Größe, die ausgehend von den Ergebnissen am LEP mit ‘t Hoofts und Veltmans Berechnungsmethode erhalten werden konnte, ist die Masse des sogenannten top-Quarks, des schwersten der beiden Quarks, die zu der dritten Familie des Standardmodells gehören. Dieses Quark wurde zum ersten Mal direkt 1995 an dem Fermilabor in den USA beobachtet, aber seine Masse war schon einige Jahre früher vorhergesagt worden. Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie war auch hier zufriedenstellend.

Wann kommt die nächste große Entdeckung?
Ein wichtiger Bestandteil in der Theorie, die ‘t Hooft und Veltman entwickelt haben, ist ein noch nicht nachgewiesenes Teilchen, das Higgs-Teilchen (Siehe Abb. 1). Ebenso, wie andere Teilchen durch theoretische Beweisführung vorausgesagt wurden, um dann später experimentell nachgewiesen zu werden, warten die Forscher nun auf die direkte Beobachtung des Higgs-Teilchens. Durch Berechnungen, ähnlich denen für die Masse des top-Quarks, weiß man, daß vielleicht einer der zur Zeit arbeitenden Beschleuniger einige Higgs-Teilchen erzeugen kann. Aber der einzige Beschleuniger, der ausreichende Leistung für genauere Studien haben wird, ist der zur Zeit im Bau befindliche LHC (Large Hadron Collider ) bei CERN. Jedoch damit müssen sich die Forscher noch einige Jahre gedulden, denn der LHC wird voraussichtlich erst im Jahr 2005 fertiggestellt sein.

Gerardus ‘t Hooft
geboren 1946 in Den Helder, Niederlande. Bürger der Niederlande. Zum Doktor der Physik promoviert 1972 an der Universität in Utrecht. Professor für Physik an der Universität in Utrecht seit 1977. ‘t Hooft hat unter anderem 1979 den Dannie Heineman Preis von der American Physical Society und 1982 den Wolfspreis für seine Arbeiten über die Renormierung von Eichtheorien erhalten. Er ist Mitglied der Holländischen Akademie der Wissenschaften seit 1982.

Professor Gerardus ‘t Hooft
Spinoza Instituut
Leuvenlaan 4
Postbus 80.195
3508 TD Utrecht
The Netherlands

Martinus J.G. Veltman
geboren 1931 in den Niederlanden. Bürger der Niederlande. Zum Doktor der Physik promoviert 1963 an der Universität in Utrecht. Professor für Physik an der Universität in Utrecht 1966 – 1981 und an der Universität von Michigan, Ann Arbor, seit 1981 (jetzt pensioniert). Veltman hat unter anderem den Hochenergie- und Elementarteilchen-Physikpreis des Jahres 1983 von der Europäischen Physikalischen Gesellschaft für seine Arbeiten über die Renormierung von Eichtheorien erhalten. Er ist Mitglied der Holländischen Akademie der Wissenschaften seit 1981.

Professor Martinus J. G. Veltman
Schubertlaan 15
3723 LM Bilthoven
The Netherlands

Die Preissumme des diesjährigen Nobelpreises in Physik beträgt SEK 7 900 000.