In dem Kinderbuch über Jim Knopf und Lukas den Lokomotivführer gibt es die kuriose Gestalt eines Scheinriesen: Herr Tur Tur ist eigentlich ein liebenswürdiger Greis, aber aus der Ferne sieht er aus wie ein gewaltiger Riese. Kaum nähert sich Jim Knopf, wird Tur Tur mit jedem Schritt kleiner. Als sie sich fast berühren, sind beide gleich groß. Was die Welt im Innersten zusammenhält: Ein Atom besteht aus Elektronen und dem Atomkern. Den Kern bilden Protonen und Neutronen, die wiederum aus jeweils drei Quarks bestehen. Die Quarks werden durch Gluonen (grün) zusammengehalten

So ähnlich muss man sich wohl die Entdeckung vorstellen, für die drei Amerikaner in dieser Woche mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurden. David Gross, David Politzer und Frank Wilczek haben 1973 ausgerechnet, dass sich manche Teilchen der subatomaren Welt – die Quarks – paradoxerweise umso stärker anziehen, je weiter sie voneinander entfernt sind. Rücken sie näher zusammen, spüren sie einander kaum noch. Das war damals selbst für hartgesottene Physiker ein ziemlich seltsames Verhalten. Alle bis dahin bekannten Kräfte, etwa die Anziehungskraft zwischen Planeten oder die Kraft zwischen elektrischen Ladungen, werden mit zunehmender Entfernung immer schwächer.

Dank ihrer Entdeckung hätten die drei Laureaten die Physik einen Schritt näher an den großen Traum einer "Theorie für alles" herangeführt, lobt das Nobelkomitee. Tatsächlich geht es in der Theorie von Gross, Politzer und Wilczek nicht nur um sonderbare Wechselwirkungen exotischer Teilchen, sondern um den Grundklebstoff, der die Welt im Innersten zusammenhält.

Quarks sind neben Elektronen und einigen anderen Teilchen die Grundbausteine der Materie. In der Schule lernt man, dass Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestünden. Aber die Wirklichkeit, oder was Physiker dafür halten, reicht noch etwas tiefer. Protonen und Neutronen bestehen demnach wiederum aus jeweils drei Quarks (siehe Grafik). Die Quarks werden durch die "starke Kraft" zusammengeschweißt, eine von vier fundamentalen Kräften der Physik. Daneben gibt es die Schwerkraft, die Planeten aneinander bindet, die elektromagnetische Kraft, auf die Magnetismus und Licht zurückgehen, sowie die schwache Kraft, die den radioaktiven Zerfall von Atomen bewirkt.

Anfang der 1970er Jahre war das Innere der Atomkerne für die Physiker noch weitgehend Neuland. Experimentalphysiker an Teilchenbeschleunigern hatten damals beobachtet, dass Protonen und Neutronen in ihrem Innern aus weiteren Teilchen aufgebaut sind. "Wenn man auf die Protonen beißt, spürt man gewissermaßen kleine Körnchen", sagt Jochen Bartels, Theoretiker am Deutschen Elektronensynchrotron im Hamburg. Das Knirschen zwischen den Zähnen mussten die Quarks sein. Doch die passende Theorie dazu fehlte. Besonders rätselhaft erschien den Forschern, dass die Quarks nie einzeln als isolierte Teilchen existierten. In Protonen und Neutronen tauchten sie immer nur zu dritt auf.

Gross, Politzer und Wilczek konnten 1973 erklären, warum das so ist: Je weiter man die Quarks voneinander entfernte, umso stärker zogen sie einander an. Wer versucht, ein Quark von seinen Partnern völlig zu isolieren, der müsste eine unendlich starke Kraft aufwenden. Das Ganze ist Hardcore Theoretische Physik. "Wir haben die Rechnungen gemacht, aber wir haben die Ergebnisse nicht intuitiv verstanden", erinnert sich Frank Wilczek, der zeitweise in Princeton Albert Einsteins ehemaliges Haus bewohnte, "das physikalische Bild kam erst später."

Wegen eines Rechenfehlers wäre das Projekt Freiheit-für-Quarks allerdings fast gescheitert. Wilczek arbeitete damals als Postdoc unter der Anleitung von David Gross an der Universität Princeton. Nach einem halben Jahr hatte er sein Notizbuch mit mathematischen Formeln und Gleichungen gefüllt. Sein damaliges Ergebnis: Quarks verhalten sich wie Planeten, je weiter entfernt, umso schwächer die Kräfte. Das jedoch widersprach den Experimenten an Teilchenbeschleunigern. Wilczek und Gross überprüften ihre Rechnungen immer wieder aufs Neue – bis sie merkten, dass ein Minuszeichen fehlte. Es war das Minuszeichen, das die Struktur der Protonen erklären sollte. Der Scheinriese. David Politzer entdeckte die Theorie zur gleichen Zeit an der Universität Harvard.

Demnach kann man sich ein Proton – oder ein Neutron – ungefähr so vorstellen: In seinem Innern werden drei Quarks durch Klebeteilchen zusammengehalten, die so genannten Gluonen. Die Gluonen wirken wie Gummibänder. Sie ziehen umso stärker, je weiter sich die Quarks voneinander entfernen. Rücken die Quarks zusammen, können sie sich innerhalb des Protons relativ frei bewegen. Die Physiker, nie um eine bizarre Bezeichnung verlegen, nannten den Effekt die "asymptotische Freiheit" in der Theorie der starken Wechselwirkung.