Nobelpreisträger 2015 – Physik
Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald
Einleitung
Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald für ihre Entdeckungen zur Neutrinooszillation, die zeigten, dass Neutrinos Masse haben und ihre Flavours wechseln können.
Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald erhielten den Nobelpreis für Physik im Jahr 2015 für ihre bahnbrechenden Entdeckungen zur Neutrino-Oszillation und deren Implikationen für die Physik der Elementarteilchen.
Fangen wir mit ein paar Überblicksinformationen biografischer und materieller Art an.
Takaaki Kajita, geboren 1959 in Higashimatsuyama, Japan, ist ein Physiker und Professor an der Universität Tokio. Er war maßgeblich an dem Experiment Super-Kamiokande beteiligt, einem unterirdischen Wasser-Tank-Detektor in Japan, der dazu beitrug, die Entdeckung der Neutrino-Oszillationen zu bestätigen. Neutrinos sind extrem schwer zu detektierende Elementarteilchen, die aus dem Weltall und aus der Sonne auf die Erde treffen. Kajita entdeckte, dass Neutrinos ihre Identität ändern, indem sie von einer Art in eine andere wechseln, während sie sich durch Raum und Materie bewegen, was zur Entdeckung der Neutrino-Oszillation führte.
Arthur B. McDonald, geboren 1943 in Sydney, Kanada, ist ein Physiker und emeritierter Professor an der Queen’s University in Kanada. Er leitete das Sudbury-Neutrino-Observatorium (SNO)-Experiment in Kanada, das ebenfalls zur Bestätigung der Neutrino-Oszillation beitrug. Das Experiment verwendete schweres Wasser, um Neutrinos zu detektieren und nachzuweisen, dass Neutrinos von einer Art in eine andere wechseln und somit eine Masse besitzen.
Die Entdeckungen von Kajita und McDonald zur Neutrino-Oszillation haben das Verständnis der Physik der Elementarteilchen revolutioniert und zeigen, dass Neutrinos nicht masselos sind, wie zuvor angenommen wurde. Ihre Arbeiten haben auch weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis des Universums, wie etwa auf die Erforschung der Dunklen Materie und der Entwicklung des Universums nach dem Urknall. Ihre Forschungen haben dazu beigetragen, unsere fundamentalen Kenntnisse über die Elementarteilchenphysik und das Universum zu erweitern.
Das ist jetzt noch extrem abstrakt.
Forschung in den Kathedralen der Wissenschaft
Stephanie Hanel hat das nach dem Treffen der Nobelpreisträger in Lindau (Lindau Nobel Laureate Meetings) griffiger zusammengefasst:
„Kajita und McDonald sind beide Direktoren an Großforschungsanlagen futuristischer Anmutung. Diese Detektoren sind ohne Zweifel „Kathedralen der Wissenschaft“: überwältigend und ein stückweit surreal. Wie passend, dass sich damit etwas einfangen ließ, das mindestens genauso schwer zu begreifen ist: die Neutrinos.“
„Neutrinos sind außergewöhnliche, geisterhafte Teilchen. Jede Sekunde durchdringen mehr als 60 Milliarden davon jeden Quadratzentimeter unseres Körpers (und auch alles andere); zumeist stammen sie aus der Sonne.“ (Zitat Takaaki Kajita)
Alles verstanden? Ja? Auch die philosophische Bedeutung?
Was wussten wir den bisher überhaupt von diesen seltsamen geisterhaften Teilchen, die von der Sonne kommen und nicht ganz masselos durch unseren Körper schießen?
Legen wir ein bisschen nach:
Arthur McDonalds Anlage, das Sudbury-Neutrino-Observatorium (SNO) in Ontario, Canada, hat das Ausmaß eines zehnstöckigen Gebäudes und liegt in zwei Kilometern Tiefe unter der Erde in einer Mine. Was bekommen McDonald und sein Team dort zu sehen?
„(…)wir haben die Möglichkeit, Teilchen zu beobachten, die direkt aus dem Herzen der Sonne kommen. Sie geben uns Auskunft über die nuklearen Kernreaktionen, denen sie ihre Energie zu verdanken haben, und wir können Berechnungen darüber anstellen, welche grundlegenden Eigenschaften die Neutrinos selbst haben (…).“ Zitat Arthur B. McDonald
„Flüchtige Boten aus dem Herzen der Sonne“
Neutrinos also. „Flüchtige Boten aus dem Zentrum der Sonne“ nennt sie FAZ-Wissenschaftsredakteur Manfred Lindinger.
Sie kommen aus dem Herzen der Sonne in die Herzen der Menschen, und wenn wir die Geisterteilchen entschlüsseln, können sie uns Antworten über Kernphysik und Masse und Energie und das Leben überhaupt geben. Kann man das eigentlich so sagen?
Und warum brauchen wir dafür gigantische Kernforschungskathedralen?
Es gib Journalisten, die sich einen Spaß daraus machen, aus der Existenz von Neutrinos und ihrem Verschwinden auch andere Phänomene abzuleiten: Twitter, Nachrichten, Seelenschmerzen. Denn das da ständig kleinste Materie durch Körper und Seele schießt, kann ja nicht ohne Auswirkungen bleiben.
Natürlich war das nicht der Kern der Kernphysik für den Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald den Nobelpreis bekommen haben. Da ging es um Neutrino-Oszillationen. Und die, so schreibt es Marc Engelhard, könnten sogar Einsteins spezielle Relativitätstheorie in fRage stellen, nach der es nichts gibt, was schneller als Lichtgeschwindigkeit ist.
Die Erforschung von Neutrinos als Thema der Physik und der Elementarteilchenphysik begann in den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts, als das Neutrino als hypothetisches Elementarteilchen von Physikern wie Wolfgang Pauli postuliert wurde. Pauli schlug 1930 die Existenz von Neutrinos vor, um die scheinbare Verletzung des Energie- und Impulserhaltungssatzes im radioaktiven Betazerfall zu erklären.
In den folgenden Jahrzehnten gab es zahlreiche Experimente, um die Existenz und Eigenschaften von Neutrinos zu untersuchen. In den 1950er Jahren wurden die ersten Experimente zur direkten Detektion von Neutrinos durchgeführt, aber es war schwierig, diese winzigen und kaum wechselwirkenden Teilchen nachzuweisen.
Am 25. Juni 1963 hielt der damalige Generaldirektor von CERN, Viktor F. Weisskopf, im Physikalischen Institut der Uni Bonn einen Vortrag zu Neutrinos, in dem er Deutschland ermunterte, sich auch weiter intensiv an der Grundlagenforschung zu beteiligen. Er erläuterte in einfachen Worten die gigantische Bedeutung dieser Grundlagenforschung, insbesondere der Teilchenforschung am CERN.
Die Forschung an Neutrinos gewann jedoch erst in den letzten Jahrzehnten an Popularität, insbesondere seit den 1990er Jahren, als Fortschritte in der Experimenttechnik und Detektortechnologie die Detektion von Neutrinos verbesserten. In den 1990er Jahren wurden die ersten Hinweise auf die Neutrino-Oszillation gefunden, was darauf hindeutete, dass Neutrinos ihre Identität ändern können, während sie sich durch Raum und Materie bewegen. Dies führte zu einem erheblichen Interesse an der Neutrino-Forschung und zu zahlreichen Experimenten auf der ganzen Welt, um diese Oszillationen zu bestätigen und die Eigenschaften von Neutrinos genauer zu untersuchen.
Die Entdeckungen von Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald zur Neutrino-Oszillation im Jahr 2015 haben das Interesse und das Bewusstsein für die Bedeutung von Neutrinos in der Physik und der Elementarteilchenphysik weiter gesteigert und haben zu einer verstärkten Forschungstätigkeit in diesem Bereich geführt. Heute ist die Neutrino-Forschung ein aktives und dynamisches Feld mit vielen laufenden Experimenten und Theorien, die weiterhin das Verständnis der Physik der Elementarteilchen und des Universums erweitern.
Am 2. März 2023 schrieb die Uni Bonn:
„Erstmals Neutrinos aus einem Teilchenbeschleuniger beobachtet
Internationale Studie hilft, die Natur des fast masselosen Elementarteilchens besser zu verstehen
Neutrinos gehören zu den am häufigsten vorkommenden Teilchen im Kosmos, geben Forschenden jedoch nach wie vor viele Rätsel auf. Ein internationales Team unter Beteiligung der Universität Bonn hat jetzt zum ersten Mal Neutrinos direkt beobachtet, die in einem Teilchenbeschleuniger erzeugt wurden. Die Physikerinnen und Physiker erhoffen sich, durch ihre neue Entdeckung die Natur dieser fast masselose Elementarteilchen besser verstehen zu können. Die Ergebnisse wurden am vergangenen Wochenende bei der 57. Moriond-Konferenz in Italien vorgestellt und werden demnächst in der Fachzeitschrift Physical Review Letters zur wissenschaftlichen Begutachtung eingereicht.
Neutrinos wurden 1956 erstmalig entdeckt und spielen unter anderem eine Schlüsselrolle bei dem Prozess, der Sterne brennen lässt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erhoffen sich durch die Erforschung der Neutrinos neue Erkenntnisse über energiereiche Objekte im Universum.
„Neutrinos sind Teilchen, von denen wir wissen, dass sie existieren“, sagt Prof. Dr. Florian Bernlochner vom Physikalischen Institut der Universität Bonn. „Sie waren sehr wichtig für die Entwicklung des Standardmodells der Teilchenphysik. Aber bisher wurde kein Neutrino, das an einem Teilchenbeschleuniger erzeugt wurde, jemals durch ein Experiment direkt nachgewiesen.“
In der aktuellen Studie entdeckten Bernlochner und seine Kollegen jetzt die Neutrinos aus einer ganz neuen Quelle – aus Teilchenbeschleunigern, in denen zwei Teilchenstrahlen mit extrem hoher Energie zusammenstoßen, um die Neutrinos zu erzeugen. Es ist das jüngste Ergebnis des Forward Search Experiments, kurz FASER genannt. Dabei handelt es sich um einen Teilchendetektor, der am Kernforschungszentrum CERN in Genf (Schweiz) installiert ist. FASER spürt dort Teilchen auf, die vom Large Hadron Collider (LHC) des CERN erzeugt werden. Im Vergleich zu typischen Teilchendetektoren zeichnet sich FASER dadurch aus, dass der Aufbau relativ klein ist – er passt in einen kleinen Seitentunnel am CERN.
Beschleuniger wie der LHC produzieren reichlich Neutrinos und Antineutrinos aller Arten – auch bei sehr hohen Energien, wo Neutrino-Wechselwirkungen noch nicht beobachtet werden konnten. Ein Grund, warum Beschleuniger-Neutrinos bisher unentdeckt blieben, ist ihre extrem schwache Wechselwirkung. Außerdem werden die Neutrinos mit der höchsten Energie, bei denen die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit am größten ist, vorwiegend parallel zur Strahlachse produziert. Dort haben die Beschleuniger-Detektoren typischerweise Löcher, um die kollidierenden Teilchenstrahlen passieren zu lassen.
Mehr als 150 beobachtete Neutrino-Ereignisse
Für die aktuelle Studie wurden 153 Neutrino-Ereignisse in LHC-Kollisionsdaten nachgewiesen, die zwischen Juli und November 2022 aufgezeichnet wurden. Die nachgewiesenen Neutrinos wechselwirken mit einem sogenannten Emulsionsdetektor mit Wolframplatten und verwandeln sich dabei in Myonen, also andere Elementarteilchen. Diese können wiederum mit dem FASER-Detektor und dessen Spektrometer nachgewiesen werden.
Die meisten bisher von Physikerinnen und Physikern untersuchten Neutrinos sind niederenergetisch. „Die von FASER entdeckten Neutrinos sind jedoch die energiereichsten, die jemals in einem Labor erzeugt wurden, und ähneln den Neutrinos, die man findet, wenn Teilchen aus dem Weltraum in unserer Atmosphäre sogenannte Teilchenschauer auslösen“, sagt FASER-Gruppenleiter Florian Bernlochner. Diese sehr hochenergetischen Neutrinos im LHC seien wichtig, um rätselhafte Beobachtungen in der Teilchenastrophysik zu verstehen. „Sie können uns etwas über den Weltraum verraten, was wir auf andere Weise nicht erfahren können“, sagt Tobias Böckh vom Physikalischen Institut der Universität Bonn, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Studie beteiligt war. Die Arbeit könnte auch Licht auf kosmische Neutrinos werfen, die große Entfernungen zurücklegen und mit der Erde kollidieren.
In Folgestudien wollen die Forschenden nun weitere Eigenschaften der Neutrinos untersuchen. Sie sollen neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen der geisterhaften Teilchen bei hohen Energien liefern.
Beteiligte Institutionen:
An der Studie waren weltweit 21 Universitäten und das CERN in Genf beteiligt.“ (Universität Bonn)
Noch spannender wird die Geschichte, wenn man den Beitrag liest, der über die „Vermessung“ des kleinsten je gemessenen Teilchens am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) verfasst wurde. In der Meldung vom 14. Februar 2022 heißt es: Forschenden gelingt Messung an „Geisterteilchen“
Neutrinos sind kaum zu erwischen, geschweige denn zu vermessen. Nun sind Forschende in Karlsruhe zumindest beim Gewicht einen Schritt weiter.
Ein internationales Forscherteam hat mit Hilfe einer riesigen, tonnenschweren Waage am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) einen Erfolg in der Teilchenphysik erzielt. Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen haben das leichteste bekannte Teilchen des Universums gewogen, das Neutrino. Die Maßeinheit hierfür lautet nicht Gramm, sondern Elektronenvolt (eV). Mit ihren Experimenten konnten die Experten 0,8 eV als Obergrenze für die Neutrinomasse bestimmen, wie sie berichten. Damit wurde die sogenannte 1-eV-Barriere durchbrochen. Fachleute feiern das als großen Erfolg.
Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen und könnten eine wichtige Funktion bei der Bildung des Universums gehabt haben. Sie werden unter anderem bei Kernfusionen in der Sonne freigesetzt und spielen bei radioaktiven Zerfällen von Atomkernen sowie Supernova-Explosionen im Weltall eine Rolle. Zudem sind sie überall, sie sind die häufigsten Elementarteilchen im Universum: Allein durch einen Finger strömen jede Sekunde Milliarden von ihnen. Weil sie so gut wie nicht mit ihrer Umgebung wechselwirken, merkt man davon nichts. Auch Planeten wie die Erde stoppen Neutrinos nicht.
Erst 100 Jahre bekannt
Das macht es schwer, sie zu erfassen. 1930 postulierte der österreichische Nobelpreisträger Wolfgang Pauli erstmals die Existenz der Teilchen. Hintergrund war, dass beim Zerfall von Atomkernen Messdaten für Neutronen und Elektronen nicht zum Grundsatz der Energieerhaltung in der Physik passten – ein bisschen was fehlte oft.
Erst mehr als zwei Jahrzehnte später wurden die Neutrinos dann nachgewiesen und galten lange sogar als masselos. Wegen ungenauer Messapparaturen konnte man bisher auch kaum mehr über Neutrinos sagen. Sie widersetzen sich gewissermaßen der wissenschaftlichen Beobachtung und werden daher auch „Geisterteilchen“ genannt.
Neutrino-Experiment am KIT
Hier setzt das Karlsruhe-Tritium-Neutrino-Experiment, kurz „Katrin“, an: In der 70 Meter langen Anlage wird im Vakuum die Energieverteilung beim Zerfall von Tritium gemessen. Das ist ein instabiles Wasserstoff-Isotop. Aus den Werten lässt sich die Masse der Neutrinos bestimmen.“
Natürlich möchten wir gern wissen, wie das denn möglich ist, dass diese Geisterteilchen durch uns und durch die Welt rasen, ohne anszustoßen, wie sie das ganze unendliche Universum durchqueren können und warum wir sie trotzdem mit riesigen Geräten wie dem CERN-Teilchenbeschleuniger oder der gewaltigen KIT-Waage messen können und was das für unsere Sicht der Welt des Lebens und des Universums, für die Energie von morgen, den Transport von übermorgen und vielleicht auch für Science-Fiction-Ideen bedeutet.
Nach allem, was wir da lesen, war also der Physik-Nobelpreis von 2015 an Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald für ihre Entdeckungen zur Neutrinooszillation, die zeigten, dass Neutrinos Masse haben und ihre Flavours wechseln können, ein Volltreffer.
In einem späteren Beitrag werden wir dann auf die Frage eingehen, was denn die Flavours der Neutrinos sein könnten.
Das Thema bleibt hochspannend.
Derweil die Politik sich mit den Mitteln des letzten und die Verwaltung in den bürokratischen Kategorien des 19. Jahrhunderts bewegt. Aber das ist ein zu weites Feld (Fontane, Effi Briest). Womit auch die Literatur hier zu ihrem Recht kommt
Armin König
Quellen:
cds.cern.ch (o.J): Rede gehalten von Professor Victor F. Weisskopf, Generaldirektor von CERN, im Physikalischen Institut der Universität Bonn, am 25. Juni 1963. https://cds.cern.ch/record/1562844/files/6801%20all.pdf
Marc Engelhardt (2011): Neutrino-Forschung: Wankt Einsteins Relativitätstheorie? DIE ZEIT online v. 23. September 2011. https://www.zeit.de/wissen/2011-09/neutrinos-cern-licht
dpa (2022): Forschenden gelingt Messung an „Geisterteilchen“. In: F&L 14.2.2022. https://www.forschung-und-lehre.de/forschung/forschenden-gelingt-messung-an-geisterteilchen-4435 (dpa)
Stefanie Hanel (2016): Die Neutrino-Fänger: Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald. Lindau-Nobel-Laureate-Meetings-Blog vom 13. Mai 2016). https://www.lindau-nobel.org/de/die-neutrino-fanger-takaaki-kajita-und-arthur-b-mcdonald/
Manfred Lindinger (2007): Flüchtige Boten aus dem Zentrum der Sonne. FAZ vom 29.08.2007. https://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-mehr/neutrinos-auf-der-spur-fluechtige-boten-aus-dem-zentrum-der-sonne-1460645.html
Universität Bonn (2023): „Erstmals Neutrinos aus einem Teilchenbeschleuniger beobachtet. Internationale Studie hilft, die Natur des fast masselosen Elementarteilchens besser zu verstehen.
Unter Verwendung von ChatGPT (Einleitung)