Physik-Nobelpreis Das Wechselspiel der Geisterteilchen
Stockholm · Das Nobelpreiskomitee in Stockholm zeichnet dieses Jahr mit Takaki Kajita (56) und Arthur McDonald (72) zwei Grundlagenforscher mit dem Nobelpreis für Physik aus. Ihre Entdeckung hat am Fundament unseres Universums gerüttelt.
Die Nobelpreisträger 2016
Sie sind überall um uns herum, durchströmen uns und sind dennoch etwas geisterhaft. Es geht um sogenannte Neutrinos: Elementarteilchen ohne eine elektrische Ladung, die entstehen, wenn kosmische Strahlung auf unsere Atmosphäre trifft und wenn in unserer Sonne Kernreaktionen stattfinden: Etwa 60 Milliarden solcher Neutrinos pro Sekunde und Quadratzentimeter rasen durch unsere Erde. Und jeder Einzelne von uns steht in diesem Teilchenschauer.
Diese Neutrinos kennt man bereits seit 1930. Mehr oder weniger. Damals wurden sie von dem österreichischen Physiker Wolfgang Pauli theoretisch vorhergesagt. Er untersuchte radioaktive Zerfälle und kam zum Schluss, dass etwas nicht stimmen könne. Anscheinend ging dabei Energie verloren, was aber im Universum nicht möglich ist. Darum postulierte Pauli die Existenz eines neuen Teilchens, das aber kaum mit irgendetwas wechselwirkt: die Neutrinos. Sie bewegen sich annähernd mit Lichtgeschwindigkeit und können so quasi das gesamte Universum durchfliegen.
Auf ihrer Bahn werden sie so gut wie gar nicht beeinflusst: Als elektrische neutrale Teilchen stören sie elektromagnetische Felder nicht, und Gravitation macht ihnen auch kaum etwas aus. Sie blieben darum lange geisterhaft, bis sie in den 1950er Jahren tatsächlich nachgewiesen werden konnten. Denn ab und an stoßen sie dann doch mit einem Atomkern so zusammen, dass es eine messbare Reaktion gibt. Von den etwa 60 Milliarden Neutrinos, die pro Sekunde und Quadratzentimeter auf die Erde treffen, hinterlassen beispielsweise nur etwa zwölf als Zeichen einer Kollision am Ende ein messbares Signal. Doch um das aufzufangen, sind gewaltige Wasserbecken nötig, die rundherum mit Sensoren bestückt sind — um keins der seltenen Ereignisse zu verpassen.
Gewaltige Detektoren entdeckten das Wechselspiel der Teilchen
Solche gewaltigen Detektoren haben Ende der 1990er- und Anfang der 2000er-Jahre auch Takaaki Kajita in Japan und Arthur McDonald in Kanada entworfen und gebaut. Und beide stellten unabhängig voneinander ein seltsames Verhalten fest. Damals wusste man schon, dass es drei verschiedene Arten von Neutrinos gibt, die unterschiedliche Spuren hinterlassen. Doch bei beiden Forschern schienen gewisse Arten von Neutrinos plötzlich zu verschwinden. Die Bilanzen stimmten vorne und hinten nicht. Außer: Die drei Arten von Neutrinos würden sich immer wieder ineinander umwandeln. So wie ein Ball, der mal in Rot erscheint, dann in Grün, dann wieder in Blau. Dieses Verhalten nannte man Neutrino-Oszillation.
Quantenmechanisch ist das sogar erklärbar — aber nur, wenn Neutrinos eine minimale Masse haben. Weniger als das Millionstel der Masse eines Elektrons. Etwas, dass man damals eigentlich in den Modellen ausgeschlossen hatte. Kajiata und McDonald hatten nun aber den Nachweis dafür erbracht und rüttelten damit am Fundament des physikalischen Weltbildes: Teilchenphysiker mussten ihre Vorstellungen überdenken. Und für Astronomen bedeuteten Neutrinos mit Masse, dass sie ein neues Bild von der Entstehung und dem möglichen Ende unseres Universums zeichnen mussten.
Und welchen praktischen Nutzen hat ihre Entdeckung? Zunächst gar keinen. Es handelt sich bei der Grundlagenforschung, wie der Name schon sagt, um die Suche nach dem, was unser Universum zusammenhält. Einsteins Relativitätstheorie hatte anfangs auch keinen Nutzen. Heute wäre Satellitennavigation per GPS ohne sie undenkbar. Atom-, Teilchen- und Quantenphysik führten zur Magnetresonanztomographie in der Medizin sowie den heutigen Smartphones und Festplatten. Eines Tages wird vielleicht auch die Entdeckung von Kajita und McDonald zu heute kaum vorstellbaren Anwendungen führen. Die Physik haben sie bereits revolutioniert.
