Physiknobelpreis 2015: Wechselhafte ‘Geisterteilchen’

Die Verleihung des Physiknobelpreises begann etwas mystisch: Es ginge um den Wechsel von Identitäten „of some of the most abundant inhabitants of the universe“. Wenig später erfahren wir, wer da das Gewand wechselt: Neutrinos!

Neutrinos, das sind jene ‘Geisterteilchen’, die – so Prof. Anne L’Huillier vom Nobelkomitee – in gigantischer Zahl jede Sekunde durch unseren Körper fliegen, ohne dass wir sie sehen oder fühlen können. Und so paradox das klingen mag: Gerade weil sie so ungeheuer ‘klein’ sind, brauchen wir enorm große Messanlagen, um ihnen auf die Spur zu kommen.

Im Fall des neuen Physiknobelpreises ging es aber nicht um den Nachweis der Teilchen, für den bereits Raymond Davis Jr. und Masatoshi Koshiba 2002 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden, sondern um ihre Anzahl und ihre besonderen Eigenschaften.

 

 

Es gibt verschiedene Varianten von Neutrinos: Die sogenannten Elektron-Neutrinos, die Myon- und die Tau-Neutrinos. Und sie entstehen auf unterschiedliche Art und Weise: Manche stammen noch aus Zeiten des Big Bang, andere entstehen bei der Explosion einer Supernova oder aber sind die Folge von Kernfusionsprozessen in der Sonne.

Was war bisher das Problem mit der Zuordnung der Neutrinos? Es war eine doppelte Herausforderung, der sich die beiden Physiknobelpreisträger Takaaki Kajita aus Japan und der kanadische Forscher Arthur B. McDonald stellten. Die japanische Forschergruppe konnte nachweisen, dass sich Myon-Neutrinos auf dem Weg in die unterirdische Anlage in Tau-Neutrinos umwandeln. Und die kanadische Forschergruppe fand heraus, dass die Verwandlung der Neutrinos auch die Erklärung für das Fehlen von circa zwei Dritteln aller Elektron-Neutrinos, die die Sonne verlassen, ist. Die Neutrinos ‚verschwinden’ also nicht, sondern verwandeln sich. Folgerichtig nennt sie das Nobelpreiskomitee auch: „The chameleons of space“.

 

 

Für die physikalische Forschung bedeutet das, dass sich die theoretische Voraussage von Bruno Pontecorvo (1957) bestätigt hat, die für eine mögliche Neutrino-Umwandlung (in der Fachsprache Neutrinooszillation) als Bedingung annahm, Neutrinos müssten eine Masse haben. Das Standardmodell der Teilchenphysik aber führte Neutrinos als masselose Teilchen. Also wiesen die neuen Physiknobelpreisträger mehr als nur sich wandelnde Teilchen nach. Ihre Entdeckungen beweisen auch, dass Neutrinos Masse haben, wenn auch eine sehr geringe. Genau quantifizierbar ist diese noch nicht, antwortet Prof. Olga Botner auf die Nachfrage einer bei der Pressekonferenz anwesenden Journalistin, das bleibt eine Herausforderung für die Zukunft, aber man kann die Masse eingrenzen auf „more than a million times lighter than an electron“.

 

 

Noch einmal zurück zu den Detektoren: Der japanische Super-Kamiokande liegt mehr als einen Kilometer unter der Erdoberfläche, um alle atmosphärische Strahlung – außer den Neutrinos – abzuschirmen. Ein Tank, der über 50.000 Tonnen hochreines Wasser fasst, stellt das Herzstück der Anlage dar. Die circa 10.000 Photoelektronenvervielfacher fangen die sogenannte Tscherenkow-Strahlung auf. Diese resultiert aus freien Elektronen und Myonen, die durch die Wechselwirkung der Neutrinos mit den Wassermolekülen entstehen. 1988 entdeckte das Team um Prof. Kajita durch die Daten des Super-Kamiokande die „atmosphärische Neutrino-Anomalie“, die sie dann 1998 auf die Neutrinooszillation zurückführen konnten. Die Großforschungsanlage ist der Nachfolger des Detektors, an dem bereits die ersten Neutrinos nachgewiesen wurden. Takaaki Kajita wurde 1959 in Japan geboren und arbeitete seit 1988 am Institut für Kosmische Strahlungsforschung (Institute for Cosmic Ray Research) der Universität Tokio, dessen Direktor er 1999 wurde.

 

 

Prof. Arthur B. McDonald forschte am Sudbury Neutrino Observatory in Ontario, Kanada. Er beantwortete die Fragen der anwesenden Journalisten bei der Pressekonferent in Stockholm live per Telefonschaltung. Prof. McDonald erzählte, dass er seinen Co-Preisträger erst drei Wochen zuvor bei einer Konferenz getroffen hat und dass sie über die Jahre in reger Kommunikation miteinander standen. Die Großforschungsanlage, an der McDonald seine Entdeckung machte, liegt in einer ehemaligen Nickelmine. In ihr bildet eine kugelförmiger Tank aus Acrylglas mit 1.000 Tonnen schweren Wassers das ‚Auffangbecken’ für die Neutrinos. In dieser Anlage können Elektron-Neutrinos und die übrigen Neutrinos unterschieden werden. So konnten die fehlenden Neutrinos als Myon- und Tau-Neutrinos detektiert und damit auch experimentell nachgewiesen werden, dass eine Neutrinooszillation stattfindet. Dieser entscheidende Durchbruch gelang McDonald und seinem Team 2001. Arthur Bruce McDonald wurde 1943 in Sydney geboren und ist emeritierter Professor der Queen’s University Kingston in Kanada.

 

 

Professor McDonald nannte die Vergabe des Nobelpreises an ihn eine „überwältigende Erfahrung“, sein Kollege Kajita nannte es „ziemlich unfassbar“ – wir hoffen, beide nächstes Jahr zur 66. Lindauer Nobelpreisträgertagung (26. Juni bis 1Juli) begrüßen zu dürfen!


Verwendete Fotos in der Slider-Grafik: Ill. N. Elmehed. © Nobel Media AB 2015

Stephanie Hanel

About Stephanie Hanel

Stephanie Hanel is a journalist and author. Her enthusiasm for the people behind science grew out of her work as an online editor for AcademiaNet, an international portal that publishes profiles of excellent female scientists. She is an interested observer of new communication channels and narrative forms as well as a dedicated social media user and science slam fan.

View All Posts

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *