Symmetrieverletzung

Symmetrieverletzung bezeichnet in der Physik das Phänomen, dass eine Symmetrie der zugrundeliegenden Gesetze nicht in beobachtbaren Prozessen erhalten bleibt. Eine Symmetrie bedeutet eine invariante Beschreibung unter einer bestimmten Transformation; eine Verletzung liegt vor, wenn Prozesse, Zustände oder Wechselwirkungen dieser Invarianz nicht entsprechen.

Man unterscheidet zwischen expliziter Symmetrieverletzung, bei der im Formulationsraum Terme auftreten, die unter der Transformation nicht invariant sind, und spontaner Symmetrieverletzung, bei der die Gleichungen invariant bleiben, aber der Systemzustand die Symmetrie bricht (z. B. Magnetisierung in einem Ferromagneten).

Wichtige Beispiele betreffen die Parität (P), Ladungskonjugation (C) und Zeitumkehr (T). Paritätverletzung in der schwachen Wechselwirkung wurde 1957 experimentell bestätigt; CP-Verletzungen wurden 1964 in neutralen Kaonen beobachtet und später im B-Meson-System nachgewiesen. Im Standardmodell ergibt sich CP-Verletzung aus dem komplexen Phasenfaktor der CKM-Matrix (Kobayashi–Maskawa).

CP-Verletzung spielt eine zentrale Rolle für die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum; die Sakharov-Bedingungen postulieren notwendige Voraussetzungen dafür. Abseits der Teilchenphysik ist spontane Symmetrieverletzung in Festkörpern und Teilchenphysik von Bedeutung, etwa beim Higgs-Mechanismus, der die elektroschwache Symmetrie bricht, oder in Ferromagneten, die bei niedrigen Temperaturen eine Rotationssymmetrie brechen.

Fundamental gilt in lokalen, Lorentz-invarianten Quantenfeldern der CPT-Satz, der die Gleichheit von Ladung, Parität und Zeitumkehr unter bestimmten Bedingungen erzwingt; Verletzungen einzelner Teilbereiche würden auf neue Physik außerhalb des Standardmodells hindeuten.