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Physik-Nobelpreis 2015: Jäger der Geisterteilchen

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Lange galten die rätselhaften Neutrinos als masselos. Doch dann zeigten der Japaner Takaaki Kajita und der Kanadier Arthur McDonald, dass die Teilchen sehr wohl eine Masse besitzen. Dazu forschten sie tief unter der Erde.

Sie sind überall, aber wir merken nichts von ihnen. 60 Milliarden Neutrinos prasseln pro Sekunde auf jeden Quadratzentimeter von uns ein. Sie rasen unbemerkt durch unseren Körper. Eine weitere, wenn auch viel kleinere Neutrino-Quelle steht in jeder Küche. Beim radioaktiven Zerfall in Speisesalz werden Neutrinos freigesetzt. Und selbst der Mensch strahlt etwa 5000 der rätselhaften Geisterteilchen pro Sekunde ab, weil im Körper Bleiatome zerfallen.

Der Österreicher Wolfgang Pauli hatte die Existenz eines sehr leichten und ladungsfreien Teilchens 1930 vorhergesagt - doch so richtig glücklich war er damit nicht: "Ich habe etwas Schreckliches getan: Ich habe ein Teilchen postuliert, dass man nicht nachweisen kann."

Der Nachweis gelang dann doch, und zwar 1956 - zwei Jahre vor Paulis Tod. Doch erst Experimente in Japan und Kanada Ende der Neunzigerjahre haben gezeigt, dass Neutrinos tatsächlich eine Masse besitzen. Für diesen Nachweis haben nun der Japaner Takaaki Kajita, 56, und der Kanadier Arthur B. McDonald, 72, den Physik-Nobelpreis bekommen.

"Wir sind natürlich sehr zufrieden, dass wir dem Wissen der Welt in der Physik etwas auf einem sehr grundlegenden Level hinzufügen konnten", sagte McDonald. Was er mit dem Preisgeld mache, wisse er noch nicht.

"Für mich war das nur eine Frage der Zeit", sagte Manfred Lindner vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg zur Entscheidung der Juroren. Von den beiden Preisträgern hält er nicht nur in wissenschaftlicher Hinsicht viel: Beide seien sehr umgängliche Menschen ohne Starallüren.

Lichtblitze in alter Zinkmine

Die Erkenntnisse der beiden Nobelpreisträger waren und sind fundamental. "50 Jahre dachte man, Neutrinos sind masselos", sagt Arnulf Quadt, Vorstand der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG). Quadt war als junger Postdok dabei, als Takaaki Kajita auf einer Konferenz in Vancouver über seine spektakulären Beobachtungen berichtete.

Mit dem Super-Kamiokande-Detektor, einem 50.000 Tonnen Wasser fassenden Zylinder tausend Meter unter der Erde, hatten Kajita und seine Kollegen nach Neutrinos gefahndet. Die Anlage befindet sich in einer alten Zinkmine 250 Kilometer nordwestlich von Tokio. Sie kann Myon-Neutrinos detektieren, das ist einer von drei heute bekannten Neutrino-Typen. Es gibt außerdem noch Elektron- und Tau-Neutrinos.

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Nobelpreis für Physik: Forschen unter Tage
Wenn sie mit beinahe Lichtgeschwindigkeit durch den Tank rasen, kollidieren die Teilchen sehr selten mit Wassermolekülen. Dann entsteht Strahlung, die von Sensoren im Tank penibel registriert wird. In den ersten zwei Jahren des Betriebs von Super-Kamiokande geschah dies nur rund 5000 Mal.

Myon-Neutrinos entstehen in der Atmosphäre. Sie rasen deshalb aus zwei Richtungen auf den Detektor zu: Einmal von oben durch die Luft und 1000 Meter Gestein - und dann noch von der gegenüberliegenden Seite quer durch die über 12.000 Kilometer dicke Erde. Die Messdaten verblüfften die Physiker: Direkt von oben kamen mehr Neutrinos zum Detektor als quer durch die Erde.

Identität der Neutrinos ändert sich

Die Myon-Neutrinos müssten auf der längeren Reise ihre Identität gewechselt haben, folgerte Kajita. Also zu Tau- oder Elektron-Neutrinos oszilliert sein. Und das ist laut den Gesetzen der Quantenmechanik und Teilchenphysik nur möglich, wenn die Neutrino-Arten unterschiedliche Massen besitzen.

Arthur B. McDonald jagte am Sudbury Neutrino Observatory in Kanada ebenfalls Neutrinos. Doch der 1000-Tonnen-Tank in der alten Nickelmine im Bundesstaat Ontario war mit sogenanntem schwerem Wasser gefüllt, also mit Wassermolekülen, bei denen der Kern des Wasserstoffatoms besonders schwer ist. Damit konnten die kanadischen Physiker von der Sonne produzierte Neutrinos nachweisen, sogenannte Elektron-Neutrinos. Zudem erlaubt der Detektor die Messung aller drei Neutrino-Typen gemeinsam.

Mit dem Neutrino-Observatorium konnten McDonald und seine Kollegen zeigen, dass zwei Drittel der in der Sonne erzeugten Elektron-Neutrinos die Erde als Myon- beziehungsweise Tau-Neutrinos erreichen. Ein weiterer Beweis dafür, dass Neutrinos ihre Art ändern können, wie es Physiker formulieren. Und diese sogenannte Oszillation ist nur möglich, wenn zwei der drei Neutrinos eine Masse größer als Null haben.

"Wir glauben, dass alle drei Neutrinos eine Masse haben", sagt Thomas Lohse von der Humboldt-Universität Berlin. Aber bewiesen ist das bislang nicht. Die Physiker wissen nicht einmal, wie schwer die Neutrinos genau sind. Nur so viel: Sie sind um Größenordnungen leichter als alle anderen bekannten Teilchen. Auch woher ihre Masse kommt, bleibt mysteriös. "Wir vermuten, dass es nicht der Higgs-Mechanismus ist", meint Lohse. Ein anderer Mechanismus müsse erst noch gefunden werden - vielleicht eines der Rätsel, das zum nächsten Nobelpreis führt.

Für Neutrino-Detektoren interessieren sich längst nicht mehr nur Teilchenphysiker. Vor zwei Jahren seien erstmals extragalaktische Neutrinos nachgewiesen worden, berichtet Matthias Steinmetz, Astrophysiker an der Universität Potsdam. Dies biete ganz neue Möglichkeiten, in den Kosmos zu schauen.

Ehrung für LED-Erfinder

Mit Material von dpa

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Forum - Diskussion über diesen Artikel
insgesamt 81 Beiträge
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1. Dunkle Materie?
asorbas 06.10.2015
Könnten jetzt die Neutrinos alleine die vorhandene Menge an Dunkler Materie erklären?
2. Unfug ...
bart80 06.10.2015
Teilchencharakter in der modernen Physik äquivalent zu Humbug und Nix verstehen davon. Aber, Gratulation, ein Teilchen mit Masse, Juhu, und Gravitationswellen ins Hirn gestrahlt.
3. Oh nein...
vyncent 06.10.2015
"Wasseratomen mit besonders schwerem Atomkern" Interessant :D Wasseratome.. ware nicht richtig Wassermolekül? Und warum nicht gleicht mit dazuschreiben was schweres Wasser ist? Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt? Dennoch ein interessanter Artikel. Aber bitte..nochmal gegenlesen lassen von jemandem der richtig googlen kann ;)
4. Nein
noalk 06.10.2015
Zitat von asorbasKönnten jetzt die Neutrinos alleine die vorhandene Menge an Dunkler Materie erklären?
Nach Ansicht der Astrophysiker reicht die Neutrino-Gesamtmasse im Universum dafür nicht aus.
5. oh
DJ Bob 06.10.2015
Ausnahmslos mal kein ami LOL
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Physik-Nobelpreisträger seit 1999
2015
2014
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura aus Japan für die Entwicklung von Leuchtdioden, die blaues Licht emittieren. Sie bilden die Grundlage für weiße LEDs.
2013
François Englert (Belgien) und Peter Higgs (Großbritannien) für die Entwicklung des Mechanismus, der zum Verständnis des Ursprungs der Masse subatomarer Teilchen beiträgt. Dieser wurde durch die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 am Kernforschungszentrum Cern bestätigt.
2012
David Wineland (USA) und Serge Haroche (Frankreich) für ihre Arbeit zur Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Ihnen war es gelungen, einzelne Quantenpartikel zu messen und zu kontrollieren, ohne sie zu zerstören, was den Weg zu revolutionären Quantencomputern ebnen könnte.
2011
Die Amerikaner Saul Perlmutter und Adam Riess sowie der US-Australier Brian Schmidt für ihre Forschungen zur Ausdehnung des Universums durch die Beobachtung ferner Sternenexplosionen, sogenannter Supernovae.
2010
Andre Geim und Konstantin Novoselov erhalten die Auszeichnung für die fundamentale Entdeckung der zweidimensionalen Kohlenstoffstruktur Graphen.
2009
Charles Kuen Kao für seine Arbeit auf dem Gebiet der schnellen Datenübertragung durch Glasfasern. Willard Boyle und George Smith teilen sich die zweite Hälfte des Preises für die Erfindung des lichtempfindlichen CCD-Chips, der heute in den meisten Digitalkameras eingebaut ist.
2008
Yoichiro Nambu (USA), Makoto Kobayashi (Japan) und Toshihide Maskawa (Japan) für die Entdeckung und Erklärung sogenannter Symmetriebrechungen in der Teilchenphysik, die das Verständnis der Natur entscheidend verbessert haben.
2007
Peter Grünberg (Deutschland) und Albert Fert (Frankreich) für die Entdeckung des "Riesenmagnetowiderstands" , durch den sich die Speicherkapazität von Computer-Festplatten drastisch erhöhen ließ.
2006
John C. Mather und George F. Smoot (beide USA) für die Entdeckung der Saat der Galaxien in der kosmischen Hintergrundstrahlung, dem "Echo des Urknalls".
2005
Roy J. Glauber (USA) für Grundlagen der Quantenoptik sowie John L. Hall (USA) und Theodor W. Hänsch (Deutschland) für die Entwicklung einer laserbasierten Präzisionsmesstechnik für Lichtfrequenzen.
2004
David J. Gross , H. David Politzer und Frank Wilczek (alle USA) für Erkenntnisse zur Kraft zwischen den kleinsten Materieteilchen im Atomkern, den Quarks.
2003
Alexej Abrikosow (USA und Russland), Vitali Ginsburg (Russland) und Anthony Leggett (USA und Großbritannien) für bahnbrechende Arbeiten zu Supraleitern und Supraflüssigkeiten.
2002
Raymond Davis (USA), Masatoshi Koshiba (Japan) und Riccardo Giacconi (USA) für die Entdeckung kosmischer Röntgenstrahlen und Neutrinos.
2001
Wolfgang Ketterle (Deutschland), Eric A. Cornell (USA) und Carl E. Wieman (USA) für die Erschaffung des Bose-Einstein- Kondensats, der fünften Erscheinungsform der Materie neben fest, flüssig, gasförmig und dem Plasma.
2000
Herbert Kroemer (Deutschland), Zhores Alferow (Russland) und Jack Kilby (USA) für die Herstellung integrierter Schaltkreise und des Halbleiter-Lasers.
1999
Gerardus 't Hooft und Martinus J.G. Veltman (beide Niederlande) für ihre Beiträge zur Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung.


Ehrung mit Weltrang - die Nobelpreise
Der Stifter
Mit der Stiftung der Nobelpreise wollte der schwedische Forscher und Großindustrielle Alfred Nobel (1833-1896) einen Konflikt lösen, der sein Leben bestimmte: Der Dynamit-Erfinder konnte nicht verwinden, dass seine Entdeckung für den Krieg genutzt wurde. Als "Wiedergutmachung" vermachte er sein Vermögen einer Stiftung, aus deren Zinsen Preise für jene finanziert werden sollten, die "im verflossenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen geleistet haben". Nobel selbst hatte mehr als 350 Patente angemeldet.
Die Auszeichnungen
Die Preise werden seit 1901 vergeben. Die Dotierung stieg von anfangs 150.800 Kronen auf zehn Millionen Kronen (eine Million Euro), wurde 2012 aber wegen der Wirtschaftskrise wieder auf acht Millionen Kronen gesenkt. Bis zu drei Menschen können sich einen wissenschaftlichen Preis teilen. Der Friedensnobelpreis wird auch an Organisationen verliehen. Höhepunkt ist stets die feierliche Verleihung der Auszeichnungen am 10. Dezember, dem Todestag von Nobel.
Die Kategorien
Die Preisträger für Physik und Chemie werden immer von der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften, die der Medizin vom Karolinska-Institut in Stockholm und die Literaturpreisträger von der Königlich-Schwedischen Akademie der Künste ausgewählt. Die Friedenspreisträger bestimmt ein Ausschuss des norwegischen Parlaments in Oslo.
Die Alternativen
Neben den eigentlichen Nobelpreisen wird seit 1969 eine Ehrung für Wirtschaftswissenschaften in Gedenken an Alfred Nobel verliehen. Sie wurde 1968 von der Schwedischen Reichsbank gestiftet. Seit 1980 vergibt die "Stiftung zur Auszeichnung richtiger Lebensführung" (Right Livelihood Award Foundation) die Right Livelihood Awards, die oft als alternative Nobelpreise bezeichnet werden.

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