Die Physik-Preisträger 2008: Auszeichnungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft

Detlev Buchholz, Konrad Kleinknecht und Gabriel Martínez Pinedo ausgezeichnet

Bad Honnef - Detlev Buchholz, Physikprofessor an der Universität Göttingen, erhält im kommenden Jahr mit der Max-Planck-Medaille die höchste Auszeichnung für theoretische Physik der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG). Der 63-Jährige wird für seine Beiträge zur Quantentheorie ausgezeichnet. Die Stern-Gerlach-Medaille, wichtigste Auszeichnung der DPG für experimentelle Physik, geht an Konrad Kleinknecht (67), Teilchenphysiker an der Universität Mainz. Den Nachwuchspreis der DPG erhält Gabriel Martínez Pinedo von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. Der 38-jährige Spanier hat einen Prozess zur Entstehung chemischer Elemente in Sternen entdeckt. Dafür wird er mit dem Gustav-Hertz-Preis gewürdigt. Insgesamt hat die DPG in diversen Kategorien 18 Preisträgerinnen und Preisträger benannt, die im nächsten Jahr ausgezeichnet werden. Dazu zählen neben einem Kasseler Physik-Lehrer und Fachleuten aus Münster, Stuttgart und München auch Schülerinnen und Schüler aus diversen Bundesländern.

Detlev Buchholz erhält die „Max-Planck-Medaille“ für seine Beiträge zur Quantenfeldtheorie, die mikroskopische Phänomene auf Grundlage der Quantenphysik beschreibt. Die Quantenfeldtheorie wird in verschiedenen Teildisziplinen der Physik angewandt. Buchholz befasst sich insbesondere mit konzeptionellen Fragestellungen der statistischen Physik und der Teilchenphysik. Gerade in der Teilchenphysik spielt die Quantenfeldtheorie eine zentrale Rolle, da sie die komplexen Eigenschaften der fundamentalen Naturkräfte mathematisch erfasst. In diesem Zusammenhang hat Buchholz unter anderem die möglichen Erscheinungsformen massiver und masseloser Teilchen sowie deren Symmetrieeigenschaften aufgeklärt und die Beschreibung der thermischen Eigenschaften von relativistischen Vielteilchensystemen weiterentwickelt.

Konrad Kleinknecht erhält die „Stern-Gerlach-Medaille“ für seine Beiträge zur Physik der Elementarteilchen. Der Mainzer Wissenschaftler hat am Beispiel kurzlebiger Teilchen – den „K-Mesonen“ – die unterschiedliche Wirkung der Naturkräfte auf Materie und Antimaterie erforscht. Seine Erkenntnisse haben wichtige Konsequenzen für unsere Vorstellung von den Geschehnissen nach dem „Urknall“, aus dem vor rund 14 Milliarden Jahren das Universum hervorging.

Unter Kleinknechts wissenschaftlichen Leistungen ist an erster Stelle die Erforschung der Verletzung der CP-Symmetrie – kurz: CP-Verletzung – zu nennen. Dieses Phänomen, 1964 von US-amerikanischen Wissenschaftlern beim Zerfall von Elementarteilchen entdeckt, ist Beleg für eine Laune der Natur: auf subtile Weise unterscheidet sie zwischen Materie und Antimaterie. Doch zunächst war es ungewiss, ob dieser Effekt durch eine der bekannten Naturkräfte erklärt werden konnte. Es war 1988, als am Genfer Forschungszentrum CERN unter Kleinknechts Federführung erstmals Hinweise dafür gefunden wurden, dass sich die „CP-Verletzung“ auf die bekannte „Schwache Wechselwirkung“ zurückführen lässt. Diese Ergebnisse wurden seitdem durch weitere Untersuchungen bestätigt, an denen Kleinknecht wiederum maßgeblich beteiligt war. Die „Schwache Wechselwirkung“, eine Naturkraft, die auch für eine bestimmte Spielart der Radioaktivität verantwortlich ist, wirkt demnach auf Teilchen und Antiteilchen in unterschiedlicher Weise – was sich in der „CP-Verletzung“ äußert.

Dass die Natur zwischen Materie und Antimaterie unterscheidet, beeinflusst unser Bild vom Anbeginn des Universums. Im „Urknall“ entstand gleich viel Materie und Anti-Materie. Wenn sich Teilchen und Antiteilchen beim Aufeinandertreffen anschließend zu reiner Energie vernichtet hätten, hätte aus dem dichten Gedränge des Urfeuers allerdings ein Kosmos ohne Materie hervorgehen müssen: durchflutet von Licht und ohne Menschen. Dies trifft offensichtlich nicht zu, denn die Materie ist heute eindeutig in der Überzahl. Über die Ursache dieses Ungleichgewichts wird immer noch spekuliert. Lange Zeit vermutete man dahinter die bei „K-Mesonen“ beobachtete Symmetrieverletzung. Inzwischen ist jedoch klar geworden, dass allein dieses Phänomen, zu dessen Erforschung Konrad Kleinknecht maßgeblich beigetragen hat, bei weitem noch nicht ausreicht, um das Verschwinden der Antimaterie und den Überschuss der Materie zu erklären.

Der Spanier Gabriel Martínez Pinedo erhält den „Gustav-Hertz-Preis“ für seine Arbeiten über die Entstehung chemischer Elemente im Inneren der Sterne. Martínez Pinedos Forschungsgebiet ist die nukleare Astrophysik, die sich den Kernreaktionen in den Sternen widmet. Der von ihm entdeckte „Neutrino-Proton-Prozess“ vollzieht sich während einer Sternexplosion (Supernova) und beschreibt die Synthese von Atomkernen, die schwerer sind als Eisen. Dieser Prozess erklärt das bisher rätselhafte Vorkommen bestimmter Elemente.

Die Vielfalt der Materie beruht auf gerade mal 100 verschiedenen chemischen Elementen. Die leichtesten – insbesondere Wasserstoff und Helium – gingen bereits aus dem „Urknall“ hervor, mit dem das Universum vor rund 14 Milliarden Jahren seinen Anfang nahm. Schwere Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff oder Eisen wurden erst nach und nach von den Sternen produziert und durch Sternexplosionen ins Weltall geschleudert. Das so verteilte Material war und ist Grundlage für neue Sternen und Planeten.

Die Elementsynthese ist ein Nebenprodukt des atomaren Feuers, das den Sternen ihre Strahlkraft verleiht. Denn unsere Sonne und alle Sterne gewinnen Energie durch das Verschmelzen von Atomkernen. Eisen ist das schwerste Element, das auf diese Weise entstehen kann. Die noch schwereren Elemente sind Folge anderer, ebenfalls kernphysikalischer Phänomene, wie sie etwa während einer Sternexplosion ablaufen. Mithin sind die Sterne Brutstätte nahezu aller chemischen Elemente.

In die Arbeit von Martínez Pinedo sind sowohl astronomische Beobachtungen als auch kernphysikalische Computersimulationen eingeflossen. Der von ihm entdeckte Mechanismus berücksichtigt erstmals die entscheidende Wechselwirkung von Neutrinos mit Kernmaterie während einer Supernova und führt zur Entstehung bestimmter Elemente, die schwerer sind als Eisen. Rätselhaft war bis dato die chemische Zusammensetzung mancher Sterne: Anhand des „Neutrino-Proton-Prozesses“ lassen sich diese Befunde nun erklären.