Ein große Anlage für den Nachweis kleinster Teilchen. Der Sudbury Neutrino Detector in Ontario, Kanada. By SNO, via Wikimedia Commons.

Nobelpreis für Neutrinoforscher

Der Japaner Takaaki Kajita und der Kanadier Arthur McDonald konnten nachweisen, dass Neutrinos eine Masse besitzen. Eine Erkenntnis, die das Standardmodell der Teilchenphysik ins Wanken bringt.

Sie sind überall zu finden. Milliarden durchqueren jede Sekunde unseren Körper. Nach den Photonen sind sie die häufigsten Teilchen und blieben doch lange Zeit rätselhaft. Neutrinos entstehen ständig bei unterschiedlichen Prozessen. Etwa in der Sonne, im Weltall bei explodierenden Supernovas und sterbenden Sternen, auf der Erde in Atomkraftwerken und dem Zerfall radioaktiver Stoffe. Ein Kaliumisotop sendet bei seinem Zerfall in unserem Körper rund 5.000 Neutrinos pro Sekunde aus. Dennoch waren sich die Physiker lange nicht mal sicher, ob Neutrinos überhaupt existierten, denn sie nachzuweisen ist äußerst schwer. Zwar postulierte der Nobelpreisträger von 1938, der Italiener Fermi, die mögliche Existenz der Teilchen. Es brauchte jedoch fast ein Vierteljahrhundert bis es den zwei amerikanischen Physikern Frederick Reines (Nobelpreis 1995) und Clyde Cowan endlich gelang, die Neutrinos nachzuweisen. 

Seit den 60er Jahren konnten die Wissenschaftler den Anteil der Neutrinons, die in der Sonne entstehen, berechnen. Allerdings fehlten bei Messungen auf der Erde rund zwei Drittel der kalkulierten Neutrinos. Wohin verschwanden sie? Was passierte mit ihnen? Die beiden Nobelpreisträger Takaaki Kajita (56) aus Japan und Arthur B. McDonald (72) aus Kanada fanden es heraus: Die Teilchen waren nicht verschwunden, sie hatten sich nur in andere Typen von Neutrinos umgewandelt. Dieses Phänomen nennen Physiker Neutrino-Oszillation. Es ist nur möglich, wenn die Neutrinos eine Masse haben. Die beiden Forscher korrigierten damit auch die bisherige Annahme des Standardmodells, das masselose Neutrinos postuliert. Das Standardmodell ist die bislang beste Zusammenfassung des Wissens über die Bausteine der Natur.

Die Nobelpreisträger suchten mit Hilfe riesiger Anlagen nach den Geisterteilchen. Eine Zinkmine in Japan und eine Nickelmine in Kanada wurden umgebaut. Seit 1996 betrieben die japanischen Wissenschaftler in rund 1.000 Metern Tiefe einen 40 Meter großen Würfel mit 50.000 Tonnen Wasser und 11.000 Lichtdetektoren. Die allermeisten Neutrinos rauschen durch den Tank ohne Spuren zu hinterlassen. Doch manchmal kollidieren sie mit den Atomkernen und Elektronen des Wassers und hinterlassen ein schwaches Licht. Takaaki Kajita und sein Team konnten in der Anlage Neutrinos, die von der anderen Seite der Erde stammen, von denen aus der Atmosphäre über Japan unterscheiden. Unter denen von der anderen Seite der Erde waren weniger Myonneutrinos als erwartet. Eine Beobachtung, die sich nur dadurch erklären ließ, dass sie ihre Identität geändert hatten.

Arthur McDonald widmete sich den Neutrinos aus der Sonne. Er konnte bereits im Jahr 2002 nachweisen, dass einige Neutrinos auf dem Weg von der Sonne ihre Identität ändern. Die kanadischen Forscher um McDonald betrieben seit 1999 ihre Anlage mit 1.000 Tonnen schwerem Wasser (Deuterium) in rund 2.000 Meter Tiefe und 9.500 Lichtdetektoren. Sie konnten bei der Kollision der Neutrinos mit dem Deuterium sowohl die Menge der Elektronen-Neutrionos als auch die Gesamtsumme aller drei Neutrino-Arten nachweisen. Auch ihre Ergebnisse ließen sich nur dadurch erklären, dass die Teilchen sich verändert hatten. 

„Den beiden Forschern ist ein sensationeller Durchbruch für die Teilchenphysik sowie für unser Verständnis der Wechselwirkungen gelungen“, so Gudio Drexlin vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Die Ergebnisse der Forschungen an den Neutrinos zeigen uns den Weg jenseits des Standardmodells auf. Hier findet ein Aufbruch zu neuen Ufer statt.“ so Drexlin weiter. Zwischen den Forschern am KIT und den Preisträgern bestehen enge Kontakte. Am KIT bauen die Wissenschaftler bereits die präziseste Waage der Welt. Ziel der Großforschungsanlage KArlsruhe TRItium Neutrino (KATRIN) ist es, die Masse der Neutrinos zu bestimmen. Drexlin ist einer der beiden wissenschaftlichen Sprecher von KATRIN. Die Wissenschaftler werden – so die Hoffnung – mit dem Experiment einen weiteren Baustein liefern, um die rätselhaften Geisterteilchen zu verstehen.

Pressemitteilung des Nobelpreis-Komitees

KATRIN-Experiment (KIT)

Die feinste Waage der Welt (HELMHOLTZ extrem)

06.10.2015 , Carsten Kolbe-Weber

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Frank Limb   12-10-2015 11:10

Meines Wissens nach postulierte Wolfgang Pauli die Existenz von Neutrinos; nicht Enrico Fermi - der erfand "nur" den Namen "Neutrino".

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