Neutrinos sind der Schlüssel um das Universum zu verstehen

Takaaki Kajita ist zum ersten Mal Gast bei der Nobelpreisträgertagung in Lindau. Er hat seinen Preis erst im letzten Jahr bekommen; gemeinsam mit Arthur McDonald “für die Entdeckung von Neutrinooszillationen, die zeigen, dass Neutrinos eine Masse haben”. Es war schon der vierte Physik-Nobelpreis der für Forschung über Neutrinos vergeben wurde und es wird mit Sicherheit nicht der letzte sein. Seit Wolfgang Pauli im Jahr 1930 die Existenz dieser Elementarteilchen postuliert hat, stellen sie die Physiker vor ein Rätsel nach dem anderem.

Es war schon ein Rätsel, das uns überhaupt erst auf ihre Spur gebracht hat: Der radioaktive Zerfall mancher Elemente verlief nicht so, wie er eigentlich verlaufen sollte: Es schien dabei der Energieerhaltungssatz verletzt zu werden. Pauli stellte fest, dass man das Problem lösen könnte, wenn es ein noch unentdecktes Elementarteilchen gibt.

Nachweis von Neutrinos in einer Nebelkammer (Bild: Argonne National Laboratory, public domain)

Nachweis von Neutrinos in einer Nebelkammer (Bild: Argonne National Laboratory, public domain)

1956 wurde das Teilchen, das mittlerweile den Namen “Neutrino” bekommen hatte dann tatsächlich experimentell nachgewiesen und sein Entdecker Frederick Reines mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

1962 überraschte das Neutrino die Physiker ein weiteres Mal. Jack Steinberger, Melvin Schwartz und Leon Max Lederman entdeckten, das es mehr als nur eine Art von Neutrino gibt. Bei Versuchen an Teilchenbeschleunigern entdeckten sie eine neue Variante dieses Teilchens das als “Myon-Neutrino” bezeichnet wurde. Für diese Leistung wurden sie ebenfalls mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Die Neutrinos beschäftigten die Wissenschaftler auch in den nächsten Jahrzehnten. Im Gegensatz zu den restlichen bekannten Elementarteilchen ignorieren die Neutrinos die elektromagnetische Kraft genau so wie starke Kernkraft. Nur in äußerst seltenen Fällen kommt es daher zu einer Wechselwirkung zwischen Neutrinos und der “normalen” Materie. Man kann schwer anschaulich nachvollziehen, wie substanzlos die für uns alltägliche Welt aus Sicht eines Neutrinos aussieht. Würde man zum Beispiel einen Strahl aus Neutrinos auf eine Bleiwand schießen die ein Lichtjahr dick ist, würde trotzdem nur die Hälfte davon aufgehalten werden. Der Rest würde einfach glatt durch das Hindernis durchfliegen, so als ob es nicht vorhanden wäre. Der Nachweis und die Untersuchung solch flüchtiger Teilchen ist daher nachvollziehbarerweise nicht einfach. Aber nicht unmöglich.

Raymond Davies baute in den 1960er Jahren in einer Goldmine in South Dakota einen fast 400.000 Liter fassenden Tank auf. Er füllte ihn mit Perchlorethylen, einer Verbindung von Chlor und Kohlenstoff die unter anderem in chemischen Reinigungen weit verbreitet ist. Dann wartete er, 1400 Meter unter dem Erdboden. Darauf, dass vielleicht doch das eine oder andere Neutrino mit den Molekülen in seinem Tank in Wechselwirkung trat und dabei ganz bestimmte nukleare Reaktionen auslösen würde. Reaktionen, deren Auswirkung sich beobachten lassen und somit einen Nachweis der Neutrinos ermöglichen würden.

Im Gegensatz zu Reines, Steinberger, Schwarz und Lederman war Davies aber nicht an Neutrinos aus Beschleunigern und anderen künstlichen Quellen interessiert. Er wollte Neutrinos messen, die aus dem All auf die Erde kommen; Neutrinos die bei Kernreaktionen im Inneren der Sonne entstehen. Gelänge das, würde sich der Wissenschaft eine völlig neuer Informationskanal eröffnen. In den Kern der Sonne, wo die Neutrinos entstehen kann kein Teleskop blicken. Nur theoretische Modelle können uns Aufschluss darüber geben, was dort passiert. Und die Neutrinos, wenn sie sich beobachten lassen würden. Nach langen und mühsamen Messungen gelang Davies genau dieser Nachweis in den 1970er Jahren und auch er erhielt dafür den Nobelpreis.

Zu dieser Zeit begann Takaaki Kajita sein Studium an der Universität Saitama in Japan. Nach seinem Abschluss war er Teil des Forschungsteams das am Kamiokande-Detektor arbeitete. Dort war man auf der Suche nach zerfallenden Protonen: Die damals entwickelten Theorien zur Vereinheitlichung der physikalischen Grundkräfte sagten voraus, dass diese Bausteine der Atomkerne nicht stabil sind, sondern während sehr langer Zeiträume zerfallen können. Der Nachweis des Protonenzerfalls gelang den Forschern mit Kamiokande nicht – aber die Anlage eignete sich auch zur Beobachtung von Neutrinos und hier entdeckte Kajita ein weiteres Rätsel.

Man konnte sowohl Myon-Neutrinos als auch Elektron-Neutrinos (die ursprünglich von Pauli postulierte Art) nachweisen. Während bei den Elektron-Neutrinos die aus der Theorie vorhergesagte Anzahl mit der tatsächlich beobachteten Menge übereinstimmte, hielten sich die Myon-Neutrinos nicht an die Vorgaben der Theoretiker. Egal was man anstellte, es waren immer deutlich weniger von ihnen im Detektor sichtbar als sichtbar sein sollten. Kajita und seine Kollegen gingen davon aus, irgendwo einen Fehler gemacht zu haben. Aber so sehr sie auch suchten, sie fanden nichts, was an ihrem Versuchsaufbau falsch sein könnte. Der “Fehler” ließ sich nicht erklären und schließlich publizierten sie ihren Befund im Jahr 1988. Drei Jahre später konnte eine andere Anlage unabhängig von Kamiokande das Resultat reproduzieren: Es gab weniger Myon-Neutrinos als es geben müsste. Der “Fehler” war kein Fehler, sondern ein neues physikalisches Phänomen das einer Erklärung bedurfte

Ein möglicher Ansatz hat mit der Masse zu tun. Nach damaliger Auffassung hatten Neutrinos keine Ruhemasse; das besagt auch das Standardmodell der Teilchenphysik. Wenn sie aber doch eine, wenn auch nur sehr kleine Masse haben, dann könnten sie “oszillieren”: Elektron- und Myon-Neutrinos könnten sich ineinander umwandeln und so die unerwartete Mengenverteilung erzeugen. Kajita und seine Kollegen machten sich daran, diese Hypothese experimentell zu untersuchen was ihnen – und unabhängig davon auch dem Kanadier Arthur McDonald – ein paar Jahre später gelang. Für diese Leistung erhielten Kajita und McDonald den Physik-Nobelpreis des Jahres 2015.

 

Takaaki Kajita während seines Vortrags bei #LiNo16. Foto: Ch. Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

Takaaki Kajita während seines Vortrags bei #LiNo16. Foto: Ch. Flemming/Lindau Nobel Laureate Meetings

Der Nachweis der Neutrinooszillation hat eine wichtige offene Fragen der Teilchenphysik beantwortet. Aber mehrere, noch viel wichtigere neue Fragen aufgeworfen. Dank der Arbeit von Kajita und McDonald wissen wir nun, dass Neutrinos eine Masse haben müssen. Das – ansonsten extrem erfolgreiche – Standardmodell der Teilchenphysik besagt aber weiterhin, dass sie masselos sein müssen. Der Physik-Nobelpreis des Jahres 2015 ist also nicht nur die Würdigung einer großen wissenschaftlichen Leistung. Sondern auch eine Erinnerung an den Rest der Wissenschaftler, dass noch viel Arbeit auf sie wartet. Das Standardmodell hat sich in den letzten Jahrzehnten mehr als nur bewährt. Kaum eine physikalische Theorie liefert eine so gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment. Das letzte vom Standardmodell vorhergesagte Teilchen, das Higgs-Boson wurde 2012 entdeckt. Jetzt ist es “komplett”; die Arbeit aber längst nicht abgeschlossen.

Es braucht ein neues Modell das über das Standardmodell hinaus geht. Kajita und McDonalds Nachweis der Neutrinooszillationen demonstriert das mehr als deutlich: Neutrinos haben eine Masse und wir brauchen eine Theorie die in der Lage ist, das zu beschreiben. So ein neues Modell kann dann hoffentlich auch viele der anderen ungeklärten Phänomene beschreiben. Die Natur der dunklen Materie, die Beschreibung der Quantengravitation, die Ursache der beschleunigten Expansion des Universums, und so weiter: Es mangelt in der Physik nicht an offenen Fragen und die Neutrinos scheinen ein vielversprechender Ansatzpunkt zu ihrer Beantwortung zu sein.

Sie werden überall im Kosmos erzeugt und können sich fast ungehindert durch das gesamte Universum bewegen. Dort, wo normale Materie und elektromagnetische Strahlung aufgehalten werden, bietet die Beobachtung von Neutrinos eine völlig neue Informationsquelle. Zumindest dann, wenn wir verstehen könnten, wie diese kleinen und flüchtigen Teilchen funktionieren. Takaaki Kajita beendet seinen Vortrag in Lindau mit einem optimistischen Ausblick:

Neutrinos sind der Schlüssel, die Natur der kleinsten und größten Skalen im Universum zu verstehen.

Einen Schritt in Richtung dieses Verständnis hat er mit seiner Arbeit selbst schon getan. Viele weitere Schritte werden folgen. Früher oder später werden andere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Weg weitergehen, den Kajita aufgezeigt hat. Und dann mit Sicherheit für ihre Erkenntnisse ebenfalls mit dem Nobelpreis ausgezeichnet werden.

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