Von John Beacom, Ohio State University

Neutrinos brauchen Geduld. Sie sind es wert, und die Bekanntgabe des Nobelpreises für Physik 2015 erkennt das an, nach verwandten Preisen in den Jahren 1988, 1995 und 2002. Ironischerweise können diese nahezu unauffindbaren Teilchen Dinge enthüllen, die man auf andere Weise nicht sehen kann.

Ich könnte damit beginnen, Ihnen zu sagen, dass Neutrinos Elementarteilchen sind, aber das klingt herablassend. Man nennt sie nicht elementar, weil sie leicht zu verstehen sind – das sind sie nicht -, sondern weil sie scheinbar punktförmig sind und wir sie nicht in kleinere Bestandteile zerlegen können. So etwas wie ein halbes Neutrino gibt es nicht.

Die kleinsten Dinge im Universum

Atome sind trotz des griechischen Namens („nicht zerteilbar“) keine Elementarteilchen, das heißt, sie können zerlegt werden. Ein Atom ist eine diffuse Wolke von Elektronen, die einen winzigen, dichten Kern aus Protonen und Neutronen umgibt, der in Up- und Down-Quarks zerlegt werden kann.

Teilchenbeschleuniger, die Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und zusammenstoßen, helfen uns, neue Elementarteilchen zu entdecken. Erstens kann aufgrund von E = mc2 die Energie bei der Kollision in die Masse der Teilchen umgewandelt werden. Zweitens: Je höher die Strahlenergie des Beschleunigers, desto feiner können wir zusammengesetzte Strukturen auflösen, so wie wir mit Röntgenstrahlen kleinere Dinge sehen können als mit sichtbarem Licht.

Wir konnten bisher weder Elektronen noch Quarks auseinandernehmen. Das sind Elementarteilchen, die die Grundbausteine der gewöhnlichen Materie bilden: die Lego-Bausteine des Universums. Interessanterweise gibt es viele schwere Vettern der bekannten Teilchen, die nur für Sekundenbruchteile existieren und somit nicht Teil der gewöhnlichen Materie sind. Bei den Elektronen sind dies zum Beispiel das Myon und das Tauon.

Was ist ein Neutrino?

Was unterscheidet dieses Elementarteilchen – das Neutrino – von allen anderen Elementarteilchen? Es ist einzigartig, weil es sowohl nahezu masselos als auch nahezu wechselwirkungsfrei ist. Diese Eigenschaften sind unterschiedlich, obwohl sie oft verwechselt werden (nehmen Sie keine Ratschläge über Neutrinos von einem Dichter an, auch wenn es John Updike ist).

Es ist ein Rätsel, warum Neutrinos fast, aber nicht ganz, masselos sind. Wir wissen aber, warum sie fast wechselwirkungsfrei sind: Sie spüren weder die elektromagnetischen noch die starken Kräfte, die Kerne und Atome binden, sondern nur die treffend benannte schwache Kraft (und die Schwerkraft, aber kaum, weil ihre Massen klein sind).

Obwohl Neutrinos keine Bestandteile gewöhnlicher Materie sind, sind sie überall um uns herum – jede Sekunde passieren eine Billion von der Sonne Ihr Auge. In jedem Kubikzentimeter gibt es Hunderte, die vom Urknall übrig geblieben sind. Weil sie so selten interagieren, ist es fast unmöglich, sie zu beobachten, und man spürt sie ganz sicher nicht.

Neutrinos haben noch andere seltsame Aspekte. Sie kommen in drei Arten vor, die Flavors genannt werden – Elektron-, Myon- und Tauon-Neutrinos, entsprechend den drei geladenen Teilchen, mit denen sie sich paaren – und alle diese scheinen stabil zu sein, im Gegensatz zu den schweren Cousins des Elektrons.

Da die drei Flavors der Neutrinos fast identisch sind, besteht die theoretische Möglichkeit, dass sie sich ineinander verwandeln könnten, was ein weiterer ungewöhnlicher Aspekt dieser Teilchen ist, der neue Physik enthüllen kann. Diese Verwandlung setzt drei Dinge voraus: dass die Neutrinomassen ungleich Null sind, dass sie sich für verschiedene Typen unterscheiden und dass Neutrinos eines bestimmten Flavors Quantenkombinationen von Neutrinos einer bestimmten Masse sind (dies nennt man „Neutrinomischung“).

Jahrzehntelang wurde allgemein erwartet, dass keine dieser Bedingungen erfüllt sein würde. Nicht aber von Neutrinophysikern – wir hielten die Hoffnung aufrecht.

Mit unsichtbaren Teilchen Astronomie betreiben

Am Ende lieferte die Natur, und die Experimentatoren entdeckten, unterstützt durch Berechnungen der Theoretiker. Zuerst kam die jahrzehntelange Suche durch viele Experimente, mit wichtigen Hinweisen, die zur Jagd anregten.

Dann, 1998, verkündete das Super-Kamiokande-Experiment in Japan starke Beweise dafür, dass Myon-Neutrinos, die in der Erdatmosphäre erzeugt werden, sich in einen anderen Typus verwandeln (von dem man jetzt annimmt, dass es Tauon-Neutrinos sind). Der Beweis war, dass dies bei Neutrinos, die von „unten“ kamen und eine lange Strecke durch die Erde zurückgelegt hatten, geschah, nicht aber bei denen, die von „oben“ kamen und nur die kurze Strecke durch die Atmosphäre zurückgelegt hatten. Da der Neutrinofluss an verschiedenen Orten auf der Erde (fast) gleich ist, ermöglichte dies eine „Vorher“- und „Nachher“-Messung.

In den Jahren 2001 und 2002 gab das Sudbury Neutrino Observatorium in Kanada starke Beweise dafür bekannt, dass Elektronen-Neutrinos, die im Kern der Sonne erzeugt werden, auch ihren Geschmack ändern. Diesmal bestand der Beweis darin, dass Neutrinos des Elektronen-Flavors, die verschwanden, dann als andere Typen wieder auftauchten (von denen man jetzt annimmt, dass es sich um eine Mischung aus Myon- und Tauon-Neutrinos handelt).

Jedes dieser Experimente sah etwa halb so viele Neutrinos, wie von theoretischen Vorhersagen erwartet. Und, vielleicht passend, bekamen Takaaki Kajita und Arthur McDonald jeweils einen halben Nobelpreis.

In beiden Fällen wurden quantenmechanische Effekte, die normalerweise nur bei mikroskopischen Entfernungen wirken, auf irdischen und astronomischen Entfernungsskalen beobachtet.

Wie die New York Times 1998 auf der Titelseite schrieb: „Mass Found in Elusive Particle; Universe May Never Be the Same.“ Diese eindeutigen Hinweise auf die Veränderung des Neutrino-Flavor, die inzwischen in Laborexperimenten bestätigt und im Detail gemessen wurden, zeigen, dass Neutrinos Masse haben und dass diese Massen für verschiedene Arten von Neutrinos unterschiedlich sind. Interessanterweise kennen wir die Werte der Massen noch nicht, obwohl andere Experimente zeigen, dass sie etwa eine Million Mal kleiner sein müssen als die Masse eines Elektrons, und vielleicht noch kleiner.

Das ist die Schlagzeile. Der Rest der Geschichte ist, dass die Vermischung zwischen den verschiedenen Neutrino-Flavors in der Tat ziemlich groß ist. Man könnte meinen, dass es eine schlechte Nachricht ist, wenn Vorhersagen scheitern – zum Beispiel, dass wir niemals in der Lage sein würden, die Veränderung der Neutrino-Flavors zu beobachten – aber diese Art von Scheitern ist gut, weil wir etwas Neues lernen.

Internationale Gesellschaft der Neutrino-Jäger

Ich freue mich sehr über diese Anerkennung für meine Freunde Taka und Art. Ich wünschte, dass mehrere Schlüsselpersonen, sowohl Experimentatoren als auch Theoretiker, die einen wesentlichen Beitrag geleistet haben, in ähnlicher Weise anerkannt worden wären. Es hat viele Jahre gedauert, diese Experimente zu konstruieren und zu betreiben, die ihrerseits auf langsamer, schwieriger und größtenteils undankbarer Arbeit aufbauten, die Jahrzehnte zurückreichte und den Einsatz von Hunderten von Menschen erforderte. Dazu gehört auch die große US-Beteiligung an Super-Kamiokande und dem Sudbury Neutrino Observatory. Also, herzlichen Glückwunsch an die Neutrinos, an Taka und Art und an die vielen anderen, die dies möglich gemacht haben!

Als ich vor über 20 Jahren anfing, an Neutrinos zu arbeiten, sagten mir viele Leute, darunter auch prominente Wissenschaftler, ich würde meine Zeit verschwenden. Später drängten mich andere, an etwas anderem zu arbeiten, weil „Leute, die an Neutrinos arbeiten, keine Jobs bekommen.“ Und selbst jetzt denken viele Physiker und Astronomen, dass wir etwas fast schon Imaginärem nachjagen.

Aber das tun wir nicht. Neutrinos sind real. Sie sind ein wesentlicher Teil der Physik, sie werfen Licht auf den Ursprung der Masse, die Teilchen-Antiteilchen-Asymmetrie des Universums und vielleicht die Existenz neuer Kräfte, die zu schwach sind, um sie mit anderen Teilchen zu testen. Und sie sind ein wesentlicher Teil der Astronomie, indem sie die energiereichsten Beschleuniger im Universum, das Innere der dichtesten Sterne und vielleicht neue und sonst ungesehene astrophysikalische Objekte enthüllen.

Der Autor beschreibt, wie die Fakten, die wir über das Universum lernen, unseren Sinn formen.

Winzige Teilchen, große Geheimnisse

Warum sollte Sie das interessieren, abgesehen davon, dass Sie unsere Neugierde teilen, einige der seltsamsten Dinge im Universum zu enthüllen?

Die schwache Kraft, die Neutrinos spüren, wandelt Protonen in Neutronen um, treibt Kernfusionsreaktionen in der Sonne und anderen Sternen an und erschafft die Elemente, die Planeten und das Leben selbst möglich machen.

Neutrinos sind die einzige Komponente der dunklen Materie, die wir verstehen, und den Rest herauszufinden, wird uns helfen, die Struktur und Entwicklung des Universums zu verstehen. Wären die Neutrinomassen viel größer gewesen, sähe das Universum ganz anders aus, und wir wären vielleicht nicht hier, um es zu sehen.

Schließlich ist die Neutrinophysik und Astrophysik, wenn man rein praktisch denkt, eine der schwierigsten Aufgaben, die es uns abverlangt, unglaublich empfindliche Detektoren und Techniken zu erfinden. Dieses Wissen hat auch andere Anwendungen; zum Beispiel könnten wir mit einem Neutrino-Detektor feststellen, ob ein vermeintlicher Kernreaktor in Betrieb ist, wie hoch seine Leistung ist und ob er sogar Plutonium produziert. Dies könnte einige reale Anwendungen haben.

Die vergangenen Jahrzehnte in der Neutrinophysik und Astronomie waren großartig, aber einige der aufregendsten Dinge fangen gerade erst an zu passieren. Das IceCube Neutrino-Observatorium am Südpol sieht jetzt hochenergetische Neutrinos von außerhalb unserer Galaxie. Super-Kamiokande hat einen Plan angekündigt, der auf einem Vorschlag von mir und Mark Vagins basiert, um ihre Empfindlichkeit für Antineutrinos im Vergleich zu Neutrinos zu verbessern. Und die internationale Gemeinschaft hofft, eine große neue Neutrino-Anlage zu bauen, bei der ein starker Neutrinostrahl vom Fermilab in Illinois zu einem Detektor tief unter der Erde in der Homestake-Mine in South Dakota geschickt wird. Wer weiß, was wir finden werden?

Und darauf habe ich wirklich gewartet.

John Beacom, Professor für Physik, Professor für Astronomie und Direktor des Center for Cosmology and AstroParticle Physics (CCAPP), Ohio State University

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.