Neutrinos sind nach den Photonen die häufigsten Teilchen im Universum. Sie entstehen beispielsweise, wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft oder bei Kernreaktionen in der Sonne, aber auch auf der Erde in Kernkraftwerken. Billionen davon strömen jede Sekunde durch unseren Körper, ohne dass wir es merken. Doch bislang entziehen sie sich sehr erfolgreich einer genauen Charakterisierung.

Schon 1930 hatte der österreichische Physiker und spätere Nobelpreisträger Wolfgang Pauli elektrisch neutrale und immens leichte Partikel ersonnen, um mit ihnen den radioaktiven Betazerfall schlüssig zu erklären. Kurz darauf gab ihnen der italienische Physiker und spätere Nobelpreisträger Enrico Fermi ihren Namen: Als kleine Verwandte der Neutronen fasste er die Teilchen auf, vom Italienischen abgeleitet hießen sie fortan Neutrinos.

Entdeckt wurden sie erst ein Vierteljahrhundert später. In den 1950er Jahren begann das Atomzeitalter auch im Alltag Fuß zu fassen, es entstanden Kernkraftwerke zur Erzeugung von Elektrizität, zugleich ergiebige Neutrinoquellen. 1956 gelang es schließlich, ihre Existenz nachzuweisen.

Rätselhafter Teilchenspuk – bis heute

Doch die schwer fassbaren Teilchen verwirrten weiterhin erfolgreich die Physiker und gaben ihnen komplizierte Rätsel auf. Neutrinos kommen in drei "Geschmacksrichtungen" (englisch: flavour) vor, so viel konnten die Physiker herausfinden. Neben den Elektron-Neutrinos gibt es auch Tau- und Myon-Neutrinos. Theorien zu den Prozessen in der Sonne sagten allerdings vorher, dass dort eine große Menge an Elektron-Neutrinos entstehen würden, die sich mit Detektoren auf der Erde nachweisen lassen müssten, nicht aber Tau- oder Myon-Neutrinos.

1970 konnte man mit einem Detektor in einer ehemaligen Goldmine in Süddakota diese Neutrinos aus der Sonne erstmals finden. Als man die Ergebnisse dieses Versuchs und anderer Experimente auswertete, beobachtete man aber lediglich einen Bruchteil der vorhergesagten Neutrinos. Bis zu zwei Drittel ließen sich nicht blicken. Wo also waren die restlichen Sonnen-Neutrinos geblieben? Oder war etwa die Theorie der Kernreaktionen in der Sonne nicht richtig?

Der diesjährige Nobelpreis für Physik an Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald würdigt unter anderem die Lösung dieses Rätsels der Sonnen-Neutrinos. 1996 baute man 1000 Meter unter der Erde in einer Zinkmine 250 Kilometer nordwestlich von Tokio einen riesigen Detektor namens Super-Kamiokande. Er besteht aus einem 40 Meter hohen Tank, in dem sich 50 000 Tonnen hochreines Wasser befinden. Das Wasser ist so klar, dass Licht sich darin 70 Meter ausbreiten kann, bevor es die Hälfte seiner Intensität verloren hat. In einem gewöhnlichen Schwimmbecken geschieht das bereits nach ein paar Metern.

Rund um den Tank sind mehr als 11 000 Strahlungsdetektoren angebracht. Sie können verzeichnen, wenn Neutrinos, die in unserer Atmosphäre durch kosmische Strahlung entstehen, durch das Wasser im Tank strömen. Zwar passiert die absolut überwiegende Zahl der Neutrinos den Tank ohne jegliche Wechselwirkung, doch es kommt vor, dass ein Neutrino mit einem der Atomkerne oder Elektronen der Wassermoleküle zusammenstößt. Dann entsteht ein blauer Blitz aus so genannter Tscherenkow-Strahlung. Und den können die Detektoren nachweisen.

Verräterische blaue Blitze

Nun lassen sich mit Super-Kamiokande nicht nur jene Neutrinos nachweisen, die einen direkten Weg von der Atmosphäre zu dem Detektor hinter sich haben, sondern auch jene, die nach ihrer Entstehung erst quer durch die Erde fliegen mussten. Denn die Erde stellt für Neutrinos kein nennenswertes Hindernis dar.

Takaaki Kajita
© mit frdl. Gen. von Takaaki Kajita
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Als die Forscher um Takaaki Kajita aber ihre Daten analysierten, stellten sie fest, dass die Myon-Neutrinos, die direkt von oberhalb des Detektors ankamen, zahlreicher waren als jene, die erst den längeren Weg durch die Erde nehmen mussten. Doch wo blieb der Rest? Die Zahl der Elektron-Neutrinos entsprach den Vorhersagen. Tau-Neutrinos ließen sich mit dem Detektor nicht messen. Eine mögliche Erklärung, die die Forscher 1998 in einer Veröffentlichung gaben: Die Myon-Neutrinos "verwandelten" sich auf ihrer Reise durch die Erde in Tau-Neutrinos.

Kurz darauf gelang es Wissenschaftlern um Arthur B. McDonald am Sudbury Neutrino Observatory in einer Nickelmine im kanadischen Ontario, einen ähnlichen Effekt für Elektron-Neutrinos aus den Kernreaktionen der Sonne zu messen. Der dortige 18 Meter hohe Detektor befindet sich zwei Kilometer unter der Erde. 9500 Strahlungsdetektoren verzeichnen die Wechselwirkung der Sonnen-Neutrinos mit 1000 Tonnen schwerem Wasser, also solchem, das statt Wasserstoff das um ein Neutron im Kern ergänzte Deuterium enthält. Der massigere Atomkern im schweren Wasser bietet den Neutrinos zusätzliches Stoßpotenzial.

Der Detektor in Kanada kann zwei Arten von Ereignissen nachweisen: einerseits das Eintreffen von Elektron-Neutrinos und andererseits die Wechselwirkung mit einer der drei Sorten Neutrinos, ohne dass sich bei dieser zweiten Art von Ereignissen aber aufschlüsseln ließe, welche der drei Geschmacksrichtungen genau für die Strahlung im Detektor verantwortlich ist.

Neutrinobotschaft aus dem Kern der Sonne

Da in der Sonne laut Theorie nur Elektron-Neutrinos entstehen sollten, erwarteten die Forscher für beide Arten von Ereignissen dieselbe Häufigkeit. Dennoch fanden sie weniger Ereignisse für Elektron-Neutrinos als solche für die Summe aller drei Neutrinotypen. Die Erklärung: Die Elektron-Neutrinos mussten auf ihrem 150 Millionen Kilometer langen Weg zur Erde eine Transformation durchgemacht und sich zum Teil in mindestens eine der beiden anderen Sorten umgewandelt haben. Aus Elektron-Neutrinos mussten Tau- oder Myon-Neutrinos geworden sein.

Die Neutrinos wechseln ihre Gestalt jedoch laut der zugehörigen Theorie nicht willkürlich, sondern mit einer Regelmäßigkeit, die es erlaubt, dem Verwandlungsprozess eine Wellenlänge und Frequenz zuzuschreiben, wie man das von periodischen Prozessen wie dem Schwingen eines Pendels oder Schallwellen kennt. Deshalb spricht man bei der Verwandlung auch von Neutrino-Oszillationen.

Arthur B. McDonald
© K. MacFarlane, Queen's University / SNOLAB
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Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher um Arthur B. McDonald 2001 und 2002. "Es gab sicherlich einen Heureka-Moment bei unseren Experimenten, als wir sehen konnten, dass sich Neutrinos allem Anschein nach von einer Art in eine andere verwandeln, während sie von der Sonne zur Erde reisen", erklärte McDonald während eines Livetelefonats mit Journalisten in der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften in Stockholm direkt im Anschluss an die Preisvergabe.

Zusammen mit den Messungen der Forscher um Takaaki Kajita am Super-Kamiokande-Detektor bestätigen die Ergebnisse aus Kanada die Theorie der Neutrino-Oszillationen. Die Auswirkungen auf das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sind weit reichend. Nach ihm sind die Neutrinos einerseits masselos, andererseits erlaubt die Theorie nur massebehafteten Partikeln einen solchen Wechsel der Geschmacksrichtung. Da mit den Neutrino-Oszillationen nachgewiesen ist, dass Neutrinos entgegen der ursprünglichen Vorstellung doch eine – wenn auch geringe – Masse haben, steht das Standardmodell in seiner bislang akzeptierten Form zur Disposition.

Auf dem Weg zur neuen Physik

Es gilt nun auf dem Weg zu einer „neuen Physik“ weitere Rätsel zu lösen: Was ist die genaue absolute Masse der Neutrinos? Warum sind sie so leicht? Gibt es noch mehr Geschmacksrichtungen als die drei bereits bekannten? Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen? Warum sind sie so anders als die anderen Elementarteilchen?

Auf eine wesentlich einfachere Frage konnte Arthur B. McDonald bei seinem öffentlichen Telefonat mit den Journalisten (es war bei ihm in Kanada 4 Uhr morgens) ebenfalls nicht gleich antworten. Eine Journalistin wollte wissen, was das denn nun bedeute, diese Entdeckung. Was der praktische Nutzen sei?

McDonald musste ein wenig nachdenken, bis ihm doch noch etwas einfiel, was über den reinen Erkenntnisgewinn hinausgeht, und führte ein Lieblingsthema der Presse an: Man verstehe jetzt auch die Prozesse in der Sonne besser; das könne für die Erforschung der Kernfusion auf der Erde nützlich sein. Kajita ließ sich erst gar nicht auf eine solche Frage ein. "Ich fühle mich sehr geehrt", sagte er. "Meine Arbeit bringt nicht gleich der Menschheit Nutzen. Wenn man es schön ausdrückt, dann erweitert so eine Forschung wie meine den Horizont des menschlichen Wissens. Der Nobelpreis hat Licht darauf geworfen, und ich bin dankbar dafür."