Untergrundlabor Gran Sasso Wie Forscher das Antimaterie-Rätsel lösen wollen

In Italien warten Forscher auf den Zerfall von Atomen. Erste Erkenntnis: Da können sie lange warten. Denn es dürfte mehrere 100 Billiarden Jahre dauern, bis es ein einzelnes Atom zerlegt.

Gran-Sasso-Labor des Nationalen Instituts für Kernphysik in den italienischen Abruzzen
imago stock&people

Gran-Sasso-Labor des Nationalen Instituts für Kernphysik in den italienischen Abruzzen

Aus Boston berichtet


  • DER SPIEGEL/ Rick Friedman
    Johann Grolle berichtet als Korrespondent für den SPIEGEL aus Boston. "Das ist die Welthauptstadt der Wissenschaft", sagt der langjährige Leiter des SPIEGEL-Ressorts Wissenschaft/Technik. An dieser Stelle schreibt er, was Forscher am MIT, der Harvard University und anderswo in den USA bewegt.

Kürzlich hat mir eine Teilchenphysikerin vom MIT von ihrer Arbeit am italienischen "Cuore"-Detektor erzählt. Es war ein erstaunlicher Ausflug, der mich weit jenseits der Grenzen menschlicher Vorstellungskraft führte.

Um es gleich vorauszuschicken: Das "Cuore"-Team hat soeben seine ersten Ergebnisse veröffentlicht, und die besagen nicht mehr, als dass die Forscher die ersten zwei Monate der Messzeit vergeblich auf das ersehnte Ereignis gewartet haben.

Aber das ist im Grunde nur eine weitere Absonderlichkeit der modernen Elementarteilchenphysik: Ein erheblicher Teil der wissenschaftlichen Veröffentlichungen in diesem Fach besteht darin, möglichst präzise zu beschreiben, unter welchen speziellen Bedingungen die Forscher welches Phänomen NICHT gemessen haben.

Aber der Reihe nach: "Cuore" ist ein Hochleistungsdetektor, den die Physiker tief im Fels der Abruzzen im Untergrundlabor Gran Sasso aufgebaut haben. Der Versuchsaufbau könnte einfacher kaum sein: Das Experiment besteht aus 988 würfelförmigen Kristallen aus einer Substanz namens Tellurdioxid. Diese haben die Physiker bis auf sechs Tausendstel Grad über den absoluten Nullpunkt abgekühlt. Nirgendwo sonst im ganzen Universum, so beteuern sie, gebe es einen kälteren Kubikmeter Materie.

Die Aufgabe der Forscher besteht nun vor allem in einem: Warten. Mit äußerster Wachsamkeit beobachten sie ihre tiefgefrorenen Kristalle und hoffen, dass irgendwann eines der vielen Tellur-Atome darin auf eine ganz bestimmte Weise zerfällt. Falls dies je geschehen sollte, wäre es für Experten eine Jahrhundertsensation.

Die moderne Physik trägt Züge einer Geheimwissenschaft, deshalb ist es nur folgerichtig, dass das Phänomen, das das "Cuore"-Team so sehnsüchtig zu beobachten hofft, einen kryptisch klingenden Namen trägt: neutrinoloser Doppel-Betazerfall. Es handelt sich dabei um eine ganz spezielle Form des radioaktiven Zerfalls, die so exotisch ist, dass sie nach den bisher als gültig betrachteten Naturgesetzen eigentlich gar nicht möglich sein dürfte.

Falls diese Art des Zerfalls dennoch nachgewiesen würde, wäre die Tragweite gewaltig: Die Gesetze der Physik müssten neu geschrieben werden, und zwar in einer Weise, die eines der großen Rätsel der Kosmologie auflösen könnte. Es geht dabei um nichts Geringeres als um die Frage, warum es überhaupt etwas in unserem Universum gibt.

So erstaunlich es auch erscheinen mag: Die Antwort auf diese Frage ist bisher offen. Denn die Forscher wissen, dass es zu jedem Teilchen ein zugehöriges Antiteilchen gibt - zum Elektron das Positron, zum Proton das Anti-Proton, zu jedem Quark das entsprechende Anti-Quark. Und eigentlich müssten beim Urknall beide Teilchensorten, die Teilchen und ihre jeweiligen Antiteilchen, in genau gleicher Menge entstanden sein.

Fotostrecke

7  Bilder
LHC: Die Weltmaschine

So aber kann es nicht gewesen sein. Denn weil die Natur der Materie und der Antimaterie die Fähigkeit mit auf den Weg gegeben hat, sich wechselseitig zu vernichten, hätten sie sich schon binnen wenigen Sekundenbruchteilen gegenseitig zerstört. Zurückgeblieben wäre eine eintönige Strahlenwüste.

Keine Galaxien, keine Sterne, keine Planeten und schon gar keine Menschen hätten entstehen können, wenn es da nicht eine winzige Unwucht im Weltengefüge gegeben hätte, die dafür sorgte, dass die Materie gegenüber der Antimaterie die Oberhand gewann.

Zu gern würden die Physiker wissen, woher diese Unwucht rührte. Doch bisher konnten sie dieses Rätsel nicht knacken. Eine Möglichkeit immerhin haben sie ausgetüftelt, wie das Gleichgewicht von Materie und Antimaterie aus dem Lot geraten sein könnte. Doch dies setzt voraus, dass es eben jenen neutrinolosen Doppel-Betazerfall gibt. Kein Wunder, dass die Physiker mit dem "Cuore"-Detektor, aber auch mit einer ganzen Reihe weiterer Experimente, verzweifelt danach suchen.

Gran-Sasso-Labor in den Abruzzen von außen
AFP

Gran-Sasso-Labor in den Abruzzen von außen

Eines allerdings ist gewiss: Falls es diese spezielle Form radioaktiven Zerfalls wirklich gibt, dann ist sie extrem selten. Und was genau heißt: selten? Es lohnt sich, diese Frage genauer zu betrachten, denn die Antwort offenbart, in welch exotischen Dimensionen sich die moderne Physik inzwischen bewegt.

Die "Cuore"-Forscher sind überzeugt, dass sie es gemerkt hätten, wenn auch nur ein einziges der unermesslich vielen Tellur-Atome in ihren tiefgefrorenen Kristallen im Verlaufe der ersten beiden Beobachtungsmonate zerfallen wäre. Da dies jedoch nicht der Fall war, konnten sie ausrechnen, wie lange es dauert, bis ein einzelnes Tellur-Atom vom neutrinolosen Doppel-Betazerfall betroffen ist. Ergebnis: mindestens 100 Millionen Milliarden Milliarden Jahre - die Zahl entspricht einer eins mit 25 Nullen.

Das ist eine sehr lange Zeit. Viel länger, als die Zeit, die seit dem Urknall bisher verstrichen ist. Ja, selbst wenn jede Minute der bisherigen Universumsgeschichte auf das volle Universumsalter gedehnt würde, wäre es immer noch nicht lang genug.

Vorstellbar ist so etwas nicht. Doch so erstaunlich es auch klingt: Messbar ist es trotzdem. Noch weitaus wundersamer aber erscheint mir: Falls dieser unvorstellbar seltene Prozess je gemessen werden sollte, würde dies ausreichen, um zu erklären, warum es uns gibt.

BBC Doku: Big Bang Theory - Wissenschaftler zwischen Materie und Antimaterie

insgesamt 40 Beiträge
Alle Kommentare öffnen
Seite 1
crossy-hl 03.04.2018
1. Im Gegensatz zur belebten Natur
steigt die Artenviefalt im Teilchenzoo beständig. Die bisherigem Ergebnisse dazu lassen sich sehr einfach zusammenfassen: Es wird eine noch größer Maschine als bisher benötigt, um die Chance zu haben, überzeugende Ergebnisse zu erzielen. Dafür müßten dann aber Beträge locker gemacht werden, die den Haushalt eines mittleren Industriestaates übersteigen. So geht nun schon seit Jahren ohne tatsächlich relevanten Erkenntnisgewinn.
UCL 03.04.2018
2. Nichts spannender als Physik
.. und ich dachte damals, Hirnforschung/Neuro-Anatomie/-Psychologie/-Physiologie wäre es. Falsch. Zwar spannend, aber nicht, und wirklich gar nichts, so spannend wie Physik, von den Quanten- bis Kosmos. Vor allem da wir total 'blind' für den überwiegenden Grossteil da draussen sind : Dark Matter, Dark Energy, und dann diese Elemente und Teilchen (Stichwort : Neutrinos, u.a.) die sich auch hören, fühlen oder sehen lassen aber massig uns 'durchströmen'. Für meinen Geschmack nicht genug Mittel die wir da investieren. Kann keine Fehlinvestition sein. Verstehe es auch bisher so, dass zB CERN nicht nur kostet, sondern reichlich Innovationen erst möglich macht. Also besser nicht blind sein, sondern fördern. Und derweil fokussiere ich dann wieder Farb- und Stereo-Blindheit, bis dass -- hoffentlich -- sehr bald, die nächsten angenehm verständlichen Berichte zur Physik publiziert werden. Ausser von der BBC, u.a. von Jim Al-Khalili präsentiert, gibt es ohnehin viel zu wenige Dokus in diesem Bereich, bis auf die angejahrten AlphaCentauri-Reihen von H. Lesch.
phthalo 03.04.2018
3. @crossy-hl
Es werden permanent neue Tier- und Pflanzenarten entdeckt. Was wäre die Alternative zum "Nicht-forschen"? Ich finde es richtig und wichtig, dass auch für Teilchenforschung viel Geld ausgegeben wird. Es war schon immer so: Je kleiner die Dinge sind, die man untersuchen möchte, desto höher die Kosten.
relative_wahrheiten 03.04.2018
4. ja, es ist immer ein einfaches
für Physik- Laien, die Physikalische- Grundlagenforschung in Ermangelung verwertbarer Endergebnisse und nicht nachvollziehbarer Kosten für jene Forschung, zu Kritisieren oder für überflüssig zu erklären. Es iat ja nicht so, das der Forscher mal eben seinen Star Trek- Scanner aus der Hosentasche holt, und die Wissenschaft per Knöpfchendruck Revolutioniert.... Tja.. wie würde unsere Moderne Gesellschaft ohne die Grundlagenforschung der letzten 300 Jahre wohl aussehen?
the_tetrarch 03.04.2018
5.
Schade, dass ich den Zusammenhang zwischen dem Zerfall von (ausgerechnet) Telluratomen, der Antimaterie und unserer Existenz nicht verstanden habe. Ich habe den Eindruck, dass es dem Auto des Artikels ähnlich geht. Das ist insofern bedauerlich, als man es wenigstens hätte versuchen können. :-(
Alle Kommentare öffnen
Seite 1

© SPIEGEL ONLINE 2018
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH


TOP
Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.