Die Chamäleons der Physik

Die rätselhaften Neutrinos sorgten jahrzehntelang für Kopfzerbrechen. Jetzt bekommen zwei Forscher den Nobelpreis, weil sie die Wandelbarkeit der Teilchen entdeckten.

Grosser Wassertank mit Lichtdetektoren am Sudbury Neutrino Observatory in Kanada. Foto: SNO

Grosser Wassertank mit Lichtdetektoren am Sudbury Neutrino Observatory in Kanada. Foto: SNO

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Auch wenn wir nichts davon spüren und sehen: Wir leben in einer Welt voller Neutrinos. Nach den Lichtteilchen sind Neutrinos die häufigsten Elementarteilchen im Universum. Aber im Gegensatz zu Licht sind sie kaum zu fassen: Jeder Mensch wird pro Sekunde von rund 400'000 Milliarden Neutrinos durchströmt, die unter anderem bei Kernfusionsprozessen in der Sonne oder bei der Kollision von kosmischen Strahlen in der Erdatmosphäre entstehen. Die meisten dieser flüchtigen Teilchen jagen schnurstracks durch uns sowie die gesamte Erde hindurch und weiter hinaus ins All. Denn Neutrinos wechselwirken praktisch nicht mit Materie.

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Mithilfe tief im Untergrund installierter, gigantischer Wassertanks versuchten Forscher, die Geheimnisse dieser flüchtigen Teilchen zu lüften. Doch sie stiessen vor allem auf ein weiteres Rätsel: Es kamen zu wenig Neutrinos in den Detektoren an. Seit den 1960er-Jahren hatten Physiker berechnet, wie viele Neutrinos in der Sonne entstehen und folglich in den Wassertanks ankommen müssten. Aber teilweise traf nur ein Drittel der erwarteten Anzahl ein. Waren die Berechnungen falsch, weil man die Prozesse im Innern der Sonne nicht richtig verstanden hatte?

Teilchen in Zürich vorhergesagt

Nein. Die Vergabe des diesjährige Nobelpreises für Physik an den Japaner Takaaki Kajita und den Kanadier Arthur McDonald würdigt die korrekte Antwort auf das Rätsel der vermissten Neutrinos: Auf ihrer Reise wechseln die Teilchen ihre Identität wie ein Chamäleon die Farbe. Es gibt nämlich drei Arten dieser Partikel: Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tau-Neutrinos. Und diese können sich beliebig ineinander verwandeln. Entsprechen kommen weniger Elektron-Neutrinos als erwartet im Detektor an. Das ist, als würde man auf dem Markt Orangen kaufen, die sich auf dem Heimweg teils in Birnen und Äpfel verwandeln.

Die Existenz der noch immer rätselhaften Neutrinos hat der österreichische Physiker Wolfgang Pauli 1930 als Professor an der ETH Zürich postuliert. Dafür erhielt er 1945 den Nobelpreis für Physik. Er glaubte aber nicht wirklich an die geisterhaften Teilchen: «Ich habe etwas Schreckliches getan», sagte er, «ich habe ein Teilchen postuliert, das nicht detektiert werden kann.» Doch er lag falsch. Ein Vierteljahrhundert später wurden Neutrinos in einem Kernreaktor nachgewiesen: Im Juni 1956 schickten die beiden amerikanischen Physiker Frederick Reines (Nobelpreis 1995) und Clyde Cowan ein Telegramm an Pauli: Die Neutrinos hätten Spuren in ihrem Detektor hinterlassen.

«Revolutionäres Experiment»

«Über ein halbes Jahrhundert haben wir gedacht, dass Neutrinos keine Masse haben», sagte die Nobeljurorin Olga Botner gestern bei der Bekanntgabe des Preises. Doch die von Kajita und McDonald beobachtete Metamorphose der Neutrinos, in der Fachsprache als Neutrinooszillation bezeichnet, lässt sich nur erklären, wenn Neutrinos eine – wenn auch winzige – Masse besitzen. Und wenn Neutrinos etwas auf den Rippen haben, macht das die Partikel interessant: Kosmologen würden deren Masse gerne kennen, da selbst leicht­gewichtige Neutrinos wegen ihrer Häufigkeit zur rätselhaften dunklen Materie im Universum beitragen. Und Teilchenphysiker müssen erneut über die Bücher: Im heutigen Standardmodell der Teilchenphysik sind Neutrinos masselos wie Lichtteilchen. Die Entdeckung von Kajita und McDonald war der erste Hinweis, dass das Standardmodell der Teilchenphysik unvollständig ist.

Der 56-jährige Takaaki Kajita forscht an der Universität Tokio. «Irgendwie unglaublich», lautete sein erster Kommentar. Foto: Keystone

«Was Kajita und McDonald geleistet haben, ist sowohl für die Teilchenphysik als auch für die Kosmologie von grosser Bedeutung», sagt Giovanni De Lellis vom National Institute for Nuclear Physics (INFN) in Gran Sasso bei Rom, der selbst zu Neutrinos forscht. «Der Preis ist auf jeden Fall gerechtfertigt.»

Erste Hinweise auf eine Neutrinomasse lieferte 1998 das Super-Kamiokande-Experiment in Japan. Mit einem in einer Mine installierten Wassertank hatten Kajita und sein Team Myon-Neutrinos eingefangen, die bei Teilchenreaktionen in der Erdatmosphäre entstehen. Dabei stellte sich heraus, dass von oben genau die erwartete Anzahl Myon-Neutrinos im Detektor landete. Von unten – also durch die Erde hindurch – jedoch viel weniger. Diese hatten sich offenbar auf der längeren Flugstrecke teils in Tau-Neutrinos verwandelt.

Der 72-jährige Arthur McDonald ist Direktor des Sudbury Neutrino Observatory Institute. «Wir sind sehr zufrieden, dass wir zum Wissen der Welt beitragen konnten», sagte er am Telefon.

Ein laut De Lellis ebenso «revolutionäres Experiment» gelang McDonald im Jahr 2001 mit dem Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Kanada. Das SNO detektierte Neutrinos von der Sonne, wo nur Elektron-Neutrinos entstehen. Im Wassertank des SNO konnten die Forscher jedoch sowohl Elektron-Neutrinos nachweisen als auch die Kombination aller drei Neutrinoarten. Während weniger Elektron-Neutrinos ankamen als erwartet, entsprach die Gesamtzahl eintreffender Neutrinos genau den Berechnungen. Die Schlussfolgerung: Ein Teil der Elektron-Neutrinos von der Sonne hatte sich in die beiden anderen Typen transformiert.

Multiple Persönlichkeiten

«Diese Entdeckungen haben viele weitere Experimente motiviert», sagt De Lellis. Zum Beispiel schickten Forscher am Cern bei Genf erzeugte Myon-Neutrinos durch die Erdkruste hindurch zum 732 Kilometer entfernten Opera-Detektor im Gran-Sasso-Labor bei Rom. Diesen Sommer meldeten sie die Detektion des fünften Tau-Neutrinos: «Damit konnten wir definitiv nachweisen, dass sich Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos verwandeln», sagt De Lellis, der für den Opera-Detektor verantwortlich ist.

Um die magische Verwandlung der Neutrinos zu erklären, braucht es die Quantenphysik. Gemäss dieser Theorie lassen sich Teilchen auch als Wellen beschreiben. Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos sind demnach eine Überlagerung von drei verschiedenen Neutrinowellen. Auf ihrem Weg durchs All oder durch die Erde bestehen die Teilchen bildlich gesprochen aus einem Teil Orange, einem Teil Apfel und einem Teil Birne, wobei die jeweiligen Fruchtanteile variieren. Erst bei der Detektion entscheidet sich das Neutrino spontan für die eine oder andere seiner multiplen Persönlichkeiten.

«Es gibt noch viele offene Fragen zu Neutrinos, die Teil der aktuellen Forschung sind», sagt De Lellis. So zeigen die Neutrinooszillationen nur, dass Neutrinos eine Masse haben, nicht aber, wie schwer sie sind. Warum also sind dieser Teilchen so leicht? Gibt es noch mehr als die drei bisher bekannten Neutrino­arten? Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen, oder besitzen Anti-Neutrinos andere Eigenschaften? «Der Nobelpreis könnte neuen Schwung in die Neutrinoforschung bringen», sagt Giovanni De Lellis.

Erstellt: 06.10.2015, 23:34 Uhr

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