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Physik-Nobelpreis 2015: Jäger der Geisterteilchen, die milliardenfach pro Sekunde auf unsere Körper prasseln

Lange galten die rätselhaften Neutrinos als massenlos. 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.

06.10.15, 17:03 06.10.15, 17:28

Holger Dambeck

Ein Artikel von

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.

«Wir sind natürlich sehr zufrieden, dass wir dem Wissen der Welt in der Physik etwas auf einem sehr grundlegenden Level hinzufügen konnten.»

Nobelpreisträger Arthur B. McDonald

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, das 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 90er Jahre 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.

«Ich habe etwas Schreckliches getan: Ich habe ein Teilchen postuliert, das man nicht nachweisen kann.»

Wolfgang Pauli

«Für mich war das nur eine Frage der Zeit», sagte Manfred Lindner vom Max-Planck-Institut für Kernphysik im deutschen 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

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.

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 so genanntem schwerem Wasser gefüllt, also mit Wasseratomen mit besonders schwerem Atomkern. 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.

Mit Material von dpa

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Markus Wüthrich, 5.5.2017
Tolle Artikel jenseits des Mainstreams. Meine Hauptinformations- und Unterhaltungsquelle.
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