10.10.2015

PhysikAutisten des Mikrokosmos

Zwei Forscher erhalten den Nobelpreis für die Entdeckung, dass Neutrinos eine Masse haben. Nun sollen die spukhaften Teilchen helfen, in das Innere von Erde und Sonne zu blicken.
Man stelle sich vor, man bekomme von einer guten Fee ein kostbar gebundenes Buch überreicht, in dem sämtliche Lottozahlen der Zukunft verzeichnet sind. Es gibt da nur ein Problem: Die Einträge sind mit unsichtbarer Tinte geschrieben.
Ungefähr so muss es Physikern ergehen, die sich mit der Erforschung von Neutrinos befassen. Dabei handelt es sich um gespensterhafte Teilchen, die allgegenwärtig den Raum durchschwirren. Und sie tragen faszinierende Geschichten mit sich herum. Diese erzählen vom radioaktiven Ofen im Innern der Erde; vom Feuer, das die Sonne erglühen lässt; von fernen Sternenexplosionen; ja selbst vom Urplasma, welches das Universum kurz nach seiner Geburt erfüllte. Doch leider sind die Neutrinos äußerst diskret. Es ist fast unmöglich, ihnen ihre Geheimnisse zu entlocken.
Angesichts dessen mutet es nur folgerichtig an, dass der diesjährige Physiknobelpreis für eine Entdeckung vergeben wurde, die ebenso spukhaft anmutet wie diese Teilchen selbst: Vor rund 15 Jahren fanden der Japaner Takaaki Kajita und der Kanadier Arthur McDonald heraus, dass die Masse der Neutrinos nicht null, sondern nur so gut wie null ist. Ihr genaues Gewicht zu ermitteln ist bis heute Ziel aufwendiger Präzisionsmessungen.
Der vertrackte Charakter der Neutrinos kam bereits zum Ausdruck, als die Forscherwelt erstmals von deren Existenz erfuhr: Der österreichische Physiker Wolfgang Pauli rätselte, warum beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen Energie verloren zu gehen schien. Da Pauli an eine Vernichtung von Energie nicht glauben mochte, sah er sich 1930 zu einem "Ausweg der Verzweiflung" gezwungen: Er postulierte, dass beim radioaktiven Zerfall Teilchen entstehen, die man nicht nachweisen könne.
Inzwischen wissen die Physiker, dass Neutrinos in diesem Universum zahlreich sind – so zahlreich, dass ihr Gesamtgewicht ungefähr demjenigen aller Sterne entsprechen dürfte. Auch auf Erden sind sie allgegenwärtig: In jeder Sekunde durchschießen etwa 100 Milliarden von ihnen die Fläche eines Daumennagels.
Doch davon merken wir nichts. Denn Neutrinos sind gleichsam die Autisten des Mikrokosmos. Sie meiden den Kontakt mit anderer Materie. Berührungslos können sie eine Bleiwand, dick wie das ganze Sonnensystem, passieren, ehe sie irgendwann doch mit einem der Bleiatome kollidieren.
Wegen ihrer geradezu pathologischen Kontaktscheu ist es ungeheuer schwierig, sie einzufangen. Andererseits macht die Neutrinos genau das für Physiker so interessant. Denn die spukhaften Teilchen entstehen überall dort im Universum, wo es turbulent zugeht: Wo immer es knallt und spratzt, werden zuverlässig Neutrinos geboren.
Die meisten anderen Zeugnisse hochenergetischer Prozesse gehen verloren, bevor sie auf einen irdischen Detektor treffen können. Neutrinos dagegen lassen sich von keinerlei Widrigkeit beirren. Die Physiker schätzen sie deshalb als verlässliche Sendboten aus den Glutküchen des Kosmos – vorausgesetzt, es gelingt, den Botschaftern die Botschaft zu entreißen.
Die beiden jetzt gekürten Laureaten trugen maßgeblich dazu bei, die Zaubertinte sichtbar zu machen. Insbesondere stellten sie fest, dass die drei verschiedenen Typen von Neutrinos – sie heißen Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino – sich fortwährend ineinander verwandeln. Dies aber ist ein Phänomen, das den Rechnungen der Theoretiker zufolge nur zu erklären ist, wenn die Neutrinos Masse tragen.
In den Jahren seit dieser Entdeckung hat die Physikergemeinde das Neutrinofieber gepackt. Ob in den USA, Japan, Indien oder China, überall werden Hunderte Millionen Dollar in gewaltige Geräte investiert, die Einblicke in die Schattenwelt der Neutrinos erlauben sollen. Das Prinzip ist stets dasselbe: Kilometertief unter dem Erdboden höhlen die Forscher Kavernen aus, füllen dort Wasser oder Öl in riesige Tanks, tapezieren diese mit Lichtdetektoren. Und dann heißt es: warten.
Das Gestein über den unterirdischen Experimentierkammern soll störende Strahlung abschirmen. Dennoch lösen immer wieder kosmische Irrläufer Lichtreflexe aus. Die Kunst der Physiker besteht dann darin, unter all diesen Signalen die wenigen herauszufiltern, die von den seltenen Neutrinokollisionen herrühren.
Tief im Innern der italienischen Abruzzen betreiben Physiker den Borexino-Detektor. Mit knapp 4000 Tonnen Gesamtgewicht mutet dieses Gerät vergleichsweise bescheiden an. Installiert ist es im Gran-Sasso-Labor, einer unterirdischen Forschungsfabrik, die über einen zehn Kilometer langen Autobahntunnel zu erreichen ist.
Mithilfe von Borexino haben die Forscher inzwischen rund zwei Dutzend Neutrinos aufgefangen, die höchstwahrscheinlich im Erdinnern entstanden sind. Solche sogenannten Geoneutrinos erlauben Rückschlüsse auf die Prozesse, die tief im Erdkern und -mantel dem Planeten einheizen.
Vor allem der radioaktive Zerfall von Uran und Thorium produziert viel Wärme, die ihrerseits die Konvektionsströme und damit den irdischen Vulkanismus ankurbelt. Doch wo genau sind diese Elemente zu finden? Kein Seismograf und keine Tiefenbohrung vermögen Antworten auf diese Frage zu geben. Einzig die Neutrinos, die ungehindert alles Magma durchqueren, könnten Aufklärung liefern.
Der eigentliche Zweck von Borexino aber ist das Studium von Neutrinos, die aus der Sonne stammen. Denn auch hier eröffnen die Geisterteilchen neue Einsichten. Die Kernfusion, welche die Sonne lodern lässt, vollzieht sich, unsichtbar für die Teleskope der Astronomen, tief im Innern des Himmelskörpers. Weder Licht noch gewöhnliche Teilchen können dem 15 Millionen Grad heißen Inferno unverfälscht entkommen. Neutrinos jedoch lassen sich weder von glühendem Plasma noch von Protuberanzen beirren. Unbehindert gelangen Myriaden von ihnen direkt vom Innern der Sonne bis in den Messtank des Gran-Sasso-Labors. Die Physiker dort fingen einige wenige von ihnen ein und konnten daraus Schritt für Schritt den Fusionsprozess nachvollziehen.
Wie in Gran Sasso, so gehen Forscher in knapp zwei Dutzend weiteren Labors weltweit auf Neutrinojagd. Selbst die Geheimdienste interessieren sich für die Methode: Sie überlegen, ob sie nahe der Grenze von Nordkorea oder Iran Neutrinodetektoren platzieren sollten. Untrüglich würden diese registrieren, wenn diese Staaten Kernreaktoren aktivieren. "Neutrinos sagen immer die Wahrheit", sagt der Karlsruher Neutrinoforscher Guido Drexlin. "Bei denen können Sie nichts verheimlichen."
Das ungewöhnlichste Gerät zum Nachweis von Neutrinos ist auf dem Südpol zu finden. Statt der Tanks, die ihre Kollegen verwenden, nutzen die Forscher des "IceCube"-Observatoriums die Gletscher der Antarktis. In einem Kubikkilometer Eis haben sie insgesamt 5160 Fotosensoren versenkt. Diese sollen die Lichtblitze auffangen, die entstehen, nachdem ein Neutrino auf ein Wassermolekül geprallt ist.
Der gigantische Eiskörper ist besonders gut geeignet, hochenergetische Ereignisse aufzuspüren. Gerade erst hat die IceCube-Kollaboration einen neuen Rekord verkündet: Es sei ihr ein Neutrino mit der schwindelerregend hohen Energie von 2600 TeV ins Netz gegangen. Das ist rund 200-mal so viel wie die Wucht, mit der die Teilchen im Beschleuniger am Cern ineinanderkrachen. Jetzt rätseln die Physiker, welcher kosmische Prozess ein solches Supergeschoss hervorgebracht haben mag.
Auch am anderen Ende der Energieskala warten Herausforderungen. Besonders über den sogenannten Neutrinohintergrund grübeln die Forscher. Denn es gilt als gesichert, dass das Universum unmittelbar nach seiner Entstehung voll von Neutrinos war. Im Prinzip müssten diese Relikte des Urknalls noch heute das Weltall durchschwirren. Allerdings sind sie im Laufe der Jahrmilliarden so weit abgekühlt, dass sie kaum mehr aufzuspüren sein dürften. So gering ist die Energie dieses Neutrinohintergrunds, dass selbst sehr optimistische Forscher wenig Hoffnung haben, ihn in absehbarer Zukunft sichtbar machen zu können.
Doch Physiker sind findig. Und so haben sie einen Weg entdeckt, wenn schon nicht die Teilchen selbst, so doch wenigstens deren Wirkung nachzuweisen. Der europäische Planck-Satellit hat mit großer Präzision die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung vermessen, die den gesamten Weltraum erfüllt. Und in diesem Nachhall des Urknalls haben die allgegenwärtigen Geisterteilchen Spuren hinterlassen.
Es ist allerdings nicht leicht, diese zu deuten. Die Planck-Forscher mussten dazu ihre Messdaten in Modelle zur Beschreibung des Urknalls einspeisen, allerlei Annahmen machen, und dann mussten sie rechnen. Am Ende stand ein handfester Wert für das, was die Nobelpreisträger Kajita und McDonald einst nachgewiesen haben: die Neutrinomasse. Das Gewicht eines Neutrinos, so das Fazit der Planck-Analyse, ist kleiner als ein Viermillionstel der Elektronenmasse.
So winzig dieser Wert, so groß ist seine Bedeutung. Denn eine Neutrinomasse, so klein auch immer sie sein mag, ist in den Formeln der Physik nicht vorgesehen. In jahrzehntelanger Tüftelarbeit haben die Forscher einen Satz von Gleichungen zusammengestellt, der sämtliche Phänomene der Teilchenwelt präzise beschreibt. Alles, was Elementarteilchen-Physiker beobachten, ist in diesem "Standardmodell" enthalten. Auch das kürzlich entdeckte Higgsteilchen macht keine Ausnahme. Nur eines ist diesem Modell zufolge verboten: dass Neutrinos eine Masse tragen.
Die Physiker indes verdrießt dieser Regelverstoß wenig. Im Gegenteil: Nichts wünschen sie sich mehr als Experimente, die bekannte Naturgesetze verletzen. Denn dann können sich die Forscher daranmachen, diese durch neue zu ersetzen.
Von Johann Grolle

DER SPIEGEL 42/2015
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