Zur Ausgabe
Artikel 109 / 129
Vorheriger Artikel
Nächster Artikel

PHYSIK Detektive im Untergrund

Ein Experiment beweist: Die Masse des Neutrinos, eines flüchtigen Elementarteilchens, ist nicht gleich Null, sondern so gut wie Null. Für die Physiker stürzt damit ein Weltbild zusammen. Aber das macht nichts - sie sind schon dabei, sich ein neues zu basteln.
aus DER SPIEGEL 25/1998

Franz von Feilitzsch paßt es eigentlich gar nicht, daß schon wieder jemand wissen will, was dran ist an der Entdeckung, die von manchen als die wichtigste des ausgehenden Jahrhunderts gefeiert wird: Die Masse des Neutrinos sei entdeckt.

Für den Münchner Physiker bedeutet es vor allem, daß er schnell seinen Festvortrag umarbeiten muß, zu dem ihn die Universität Greifswald anläßlich des 150jährigen Bestehens der physikalischen Fakultät eingeladen hat. Ansonsten mag er sich von der Euphorie nicht so recht anstecken lassen. »Der Schlüssel zum heiligen Gral der Physik« sei gefunden, hatten sich Mitglieder des amerikanisch-japanischen Forschungsprojekts »Super-Kamiokande« vorletzte Woche zitieren lassen. »Das Universum könnte nicht mehr wiederzuerkennen sein«, titelte die »New York Times«.

»Als Wissenschaftler sollte man schon etwas vorsichtiger sein«, meint Feilitzsch. »Ich würde sagen, es gibt starke Hinweise darauf, daß die Schlüsse aus dem Experiment zutreffen.«

Entgegen einem weitverbreiteten Vorurteil wissen Physiker nicht, wie die Welt funktioniert - beobachtete Phänomene mathematisch zu beschreiben ist für sie Arbeit genug. Bisweilen nimmt sie dabei die Schönheit einer Gleichung so gefangen, daß sie hoffen, daß die Natur sich der eleganten Beschreibung fügt.

Eine solche Kopfgeburt ist das Neutrino. Der Physiker Wolfgang Pauli ersann es im Jahre 1930, um sich aus einer mißlichen Lage zu befreien: Messungen des radioaktiven Zerfalls hatten dem Theoretiker arge Qualen bereitet. Die Daten widersprachen dem ehernen Gesetz, daß Energie nicht entstehen oder verschwinden kann. Wenn ein Neutron in ein Elektron und ein Proton zerplatzt, schien ein kleiner Energiebetrag spurlos zu verdampfen.

Pauli zog sich aus der Affäre, indem er ein drittes Teilchen ersann, das bei dem Zerfall entstehe. Der Lückenbüßer schieße mit Lichtgeschwindigkeit davon, transportiere die überschüssige Energie ab und bleibe ansonsten für den Experimentator unsichtbar, denn das »Neutrino«, wie es später getauft wurde, habe weder elektrische Ladung noch Masse. Es durchquere daher die Welt, ohne Spuren zu hinterlassen.

Mit diesem Kniff hatte Pauli die Gleichung gerettet. »Ich habe heute etwas sehr Böses getan«, soll er einem Freund anvertraut haben, »kein Theoretiker sollte Teilchen erfinden, die man nicht nachweisen kann.«

Trotzdem schlossen die Kollegen das Phantomteilchen ins Herz, zu gut paßte seine Existenz in ihr Weltbild. Der amerikanische Schriftsteller John Updike schrieb sogar ein 19zeiliges Gedicht in vertracktem Versmaß über das flüchtige Wesen. Erst 1956 zeigten sich die Zombies der Kernphysik leibhaftig im Experiment. Sie reagieren doch, aber eben äußerst selten, mit anderen Teilchen und verraten so in glücklichen Momenten einer trickreichen Apparatur ihre Gegenwart.

Die Experimente verlangen riesige Nachweismaschinen. Nur wo genügend Materie versammelt ist, besteht die Chance, ausreichend viele der extrem seltenen Wechselwirkungen zu beobachten.

Die Teilchendetektive ermitteln gern im Untergrund, denn dort stören weniger Fremdpartikel die Spurensuche. Die »Gallex«-Forschergruppe zum Beispiel hat sich in einen Tunnel unter dem italienischen Gran-Sasso-Gebirge zurückgezogen und überwacht mit sensibler Elektronik eine Kaverne mit 30 Tonnen Gallium. Andere schichteten Berge von Eisenplatten auf, füllten riesige Tanks mit Mineralöl oder installierten Detektoren im russischen Baikalsee. Das internationale »Amanda«-Team bohrte ein Loch am Südpol und versenkte einige hundert Detektoren im antarktischen Eis.

Das Universum, so stellte sich heraus, ist voll von Neutrinos. Etwa 100 Millionen von ihnen schwirren in jedem Kubikmeter herum. Der Erdball hindert sie auf ihrer Reise nicht mehr als eine Nebelbank.

Hat das Geisterteilchen wirklich keine Masse, oder vielleicht doch eine ganz winzige? Diese Frage treibt die Forscher seit nunmehr fast 70 Jahren um. Der Unterschied zwischen Null und so gut wie Null ist von einiger Bedeutung, denn Paulis Partikel stecken inzwischen in vielen Gleichungen, und je nach Fachrichtung wünschen sich manche Forscher eine Neutrinomasse, andere nicht.

Elementarteilchenphysiker haben sich gut mit dem masselosen Neutrino arrangiert. Im sogenannten Standardmodell, aus dem sich schlüssig eine Inventarliste des Teilchenzoos ergibt, finden Neutrinos nur Platz, wenn sie keine Masse haben.

Kosmologen, die dem Urknall hinterherlauschen, sähen es dagegen gern, wenn die Phantome eine Masse besäßen. Sie suchen nämlich schon seit langem vergebens nach sogenannter dunkler Materie im All. Damit die Gravitationskräfte das Universum in seine heutige Form pressen, müßte eigentlich mehr Materie vorhanden sein, als die Inventur ergibt, wenn man die Masse aller sichtbaren Sterne addiert. Auch wenn die Neutrinomasse winzig ist, käme dank der enormen Zahl der flüchtigen Flitzer zumindest ein Teil der gesuchten Menge zusammen.

Kernphysiker schließlich grübeln vor allem über das Rätsel der Sonnenneutrinos: Das Zentralgestirn bezieht seine Leuchtkraft aus der Kernfusion, einem Vorgang, bei dem auch Neutrinos ins All geschossen werden. Messungen auf der Erde weisen aber viel weniger Spukteilchen nach, als nach dem astrophysikalischen Weltbild auf der Sonne entstehen müßten. Retten ließe sich jene Theorie, welche die Fusionsreaktionen auf der Sonne erklärt, nur dann, wenn die Neutrinos auf dem Weg zur Erde verschwänden.

Hoffnung verspricht ein Effekt, den die Quantentheorie vorhersagt. Nach deren Prinzipien tragen sich Dinge zu, die sich bequem als Formel aufschreiben lassen, dem Alltagsverstand jedoch Schwindelgefühle bescheren: Drei verschiedene Arten von Neutrinos - im skurrilen Physikerhumor nach »Flavour« ("Geschmack") unterschieden - kennt die Theorie. In der Welt der Quantenmechanik kann sich ein Neutrino in einem unentschiedenen Mischzustand zwischen zwei Identitäten aufhalten und durch »Oszillation« janusgesichtig mal in der einen, mal in der anderen Gestalt erscheinen.

Die sogenannten Myon-Neutrinos könnten sich so auf dem Weg von der Sonne in Tau-Neutrinos verwandeln (einige Theoretiker meinen, es könnten auch »sterile« Neutrinos sein, die sich in eine »Spiegelwelt« davonstehlen), und für jene sind die Meßgeräte blind. Durch diesen Effekt ließe sich das Neutrinodefizit erklären. Die Oszillationen funktionieren in den Gleichungen aber nur, wenn das Neutrino eine Masse hat.

Die Super-Kamiokande-Forscher behaupten nun, sie hätten derartige Neutrinooszillationen nachgewiesen. Diese Beobachtung wiederum wäre ein zwingender Beweis (Feilitzsch: »Eine triviale Drehmatrix zwischen Flavour- und Masseeigenzuständen - drücke ich mich klar genug aus?") für die Massehaftigkeit der Teilchen.

Die Nachweismethode gleicht dem kunstvollen Billardspiel über mehrere Banden. Untersuchungsobjekt sind »atmosphärische« Neutrinos. Sie entstehen, wenn energiereiche Partikel aus dem All auf die irdische Lufthülle treffen. Mit der üblichen Diskretion rasen die Teilchen weiter durch die Erde, doch ab und zu brettert eines frontal auf ein Wassermolekül im Innern des Detektors unter dem japanischen Berg Ikena. Ein neues Elementarteilchen entsteht, das durch die Fluten schießt und dabei einen milliardstel Sekunden kurzen Lichtblitz erzeugt (siehe Grafik).

Etwa 100 Blitze pro Sekunde registriert die Elektronik, doch nur etwa jeder millionste stammt wirklich von einem Neutrino - knapp sechs pro Tag. Fast zwei Jahre lang haben die Forscher daher Daten gesammelt und minutiös jeden Störimpuls eliminiert. Dann hielten sie ihr Ergebnis für statistisch gesichert: Direkt aus dem Himmel über Japan registrierte Super-Kamiokande mehr Neutrinos als aus der Gegenrichtung - nach dem Weg durch die Erde.

Jene Zeit, so die wahrscheinlichste Schlußfolgerung, die beim Durchqueren des Globus verging, nutzten einige Teilchen, um per Oszillation in einen nicht nachweisbaren Flavour überzuwechseln.

Ähnliche Daten lieferte das Vorläuferexperiment schon vor zehn Jahren. Die Erkenntnis trifft die Forschergemeinde also keineswegs aus heiterem Himmel, doch erst jetzt scheinen Zweifel an der Meßmethode ausgeräumt. Damit wäre die Massehaftigkeit der Geisterteilchen von der Vermutung zum Faktum geworden. Vollständig gelöst ist das Rätsel damit jedoch keineswegs.

Denn leider liefert Super-Kamiokande den genauen Betrag der Masse nicht. Mindestens den zehnmillionsten Teil der Elektronenmasse sollen die Neutrinos besitzen. Andere Versuchsanordnungen wiederum ergeben Obergrenzen, die je nach Flavour beim hundert- bis millionenfachen Wert liegen. Diese Unsicherheit weiter zu verringern, wird vermutlich noch Jahre dauern.

Elementarteilchentheoretiker müssen unterdessen zähneknirschend das Standardmodell überarbeiten - nach Meinung von Fachleuten eine mühsame Fleißarbeit, aber durchaus machbar. Eine Fraktion bietet schon jetzt ein Patentrezept an. Es lautet - kryptisch, wie so vieles in der Theoretikerwelt - schlicht: SU(10).

Freudig erregt sind alle, denn Physiker sind wie Motorradfreaks: Ausgereifte Modelle, an denen nichts herumzuschrauben ist, langweilen sie. Ehe sie sich aber der Bastelei an ihren Gleichungen zuwenden, werden die Wissenschaftler voraussichtlich eine Protestnote an die japanische Regierung verfassen - die will doch tatsächlich die Mittel für die Neutrinoforschung kürzen.

[Grafiktext]

Das Experiment ''Super-Kamiokande''

[GrafiktextEnde]

[Grafiktext]

Das Experiment ''Super-Kamiokande''

[GrafiktextEnde]

Mehr lesen über
Zur Ausgabe
Artikel 109 / 129
Vorheriger Artikel
Nächster Artikel
Die Wiedergabe wurde unterbrochen.