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Die Grundlagen des Wissens

Neutrinos Die Jagd nach den Geisterteilchen

Sie durchqueren meist ungehindert ganze Galaxien, das Innere von Sonnen, den Körper des Menschen. Und senden uns Botschaften aus den entlegensten Winkeln des Kosmos. Seit Jahrzehnten schon versuchen Forscher den Neutrinos auf die Spur zu kommen – riesige Teilchen-Fallen sollen ihnen jetzt ihre Geheimnisse entlocken
Geisterreichen Neutrinos Galaxie

Neutrinos interagieren höchst selten mit Materie. Um die raren Ereignisse aufzuzeichnen, benötigen Forscher daher riesige Detektoren fernab von Störsignalen. Der größte liegt in der Antarktis: Unterhalb der Forschungsstation überwachen 5160 Sensoren einen Kubikkilometer Eis

Sie werden „Geisterteilchen“ genannt, und kein anderer Ausdruck wäre wohl passender. Denn Neutrinos sind weder zu sehen noch zu spüren, und ihre Eigenschaften sind so unglaublich, dass sie unseren Verstand an seine Grenzen bringen. Kann man sich Geschosse vorstellen, die wie Neutrinos eine dicke Felswand durchdringen, als sei sie eine Nebelbank? Mehr noch: Sie können unseren Planeten passieren, als sei er nicht vorhanden.  

Und fliegen selbst durch die Millionen Grad heiße und ungeheuer stark zusammengepresste Materie im Inneren eines Sterns, ohne Schaden zu nehmen. Es scheint, als könnte nichts sie aufhalten oder auch nur ablenken. Neutrinos rasen auf ihrem Weg durchs All annähernd so schnell wie das Licht, und ihre Massen sind viel, viel kleiner als selbst die der winzigen Elektronen, die den Kern von Atomen umschwirren.  

 Zudem sind sie so zahlreich, dass es die Vorstellungskraft sprengt: Pro Sekunde durchschießen mehr als 60 Milliarden Geisterteilchen jeden Quadratzentimeter unseres Körpers, ohne dass wir etwas davon spüren. Diese seltsamen, rätselhaften Teilchen gehören zweifellos zu den verblüffendsten Erscheinungen des Weltalls. Und das Besondere: Sie bieten Forschern Einblicke in kosmische Vorgänge, die sonst verborgen blieben.

Neutrinos können so alt sein wie das Universum

Denn Neutrinos erreichen uns auch aus Regionen des Alls, von denen aus nie ein Lichtstrahl zu uns dringen wird – etwa von weit entfernten Sternen-Explosionen oder den Materiestrudeln massereicher Schwarzer Löcher, die sich im Zentrum vieler Galaxien befinden. Studieren Forscher Neutrinos, gewinnen sie also auch wertvolle Erkenntnisse über andere Phänomene. Doch damit nicht genug: Manche Geisterpartikel sind gerade eben erst gebildet worden, während andere so alt sind wie das Universum: Sie entstanden mit dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren und durcheilen seither in einer nie endenden Reise die gigantischen Weiten des Raumes.
 
Damit bergen sie vermutlich einzigartige Informationen über den Anbeginn der Zeit, also jene unfassbar dramatischen Sekunden und Minuten direkt nach dem Urknall – und könnten so helfen, den faszinierendsten kosmischen Vorgang überhaupt besser zu verstehen: die Geburt des Universums in seiner ersten Millionstelsekunde sowie seine frühe Entwicklung. Dass die Menschheit überhaupt von den flüchtigen Teilchen erfahren hat, ist dem Genie einiger Wissenschaftler des 20. Jahrhunderts zu verdanken. Den Anstoß gab der österreichische Physiker Wolfgang Pauli, der sich um 1930 mit dem Phänomen der radioaktiven Strahlung befasste – jener Energie, die entsteht, wenn bestimmte Atomkerne zerfallen.
 
Diese Form des radioaktiven Zerfalls ließ die Physiker schier verzweifeln. Denn ihren Berechnungen zufolge hätten die entsprechenden Atomkerne mehr Energie herausschleudern müssen, als die Forscher zu messen vermochten. Für Pauli konnte diese unerklärliche Lücke nur eines bedeuten: Beim Zerfall der Kerne musste ein bislang völlig unbekanntes Teilchen gänzlich neu entstehen. Ein Teilchen, das die fehlende Energie gleichsam aufnahm und davontrug, ohne dass die Wissenschaftler dies messen konnten.

Versuchslabor für Elementarteilchenphysik

Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italien: Im Zentrum dieser Anlage soll ein Detektor bestimmte Eigenschaften von Neutrinos erforschen, die beim hochkomplexen Zerfall von Germanium-76 entstehen. Ein mit Wasser gefluteter Tank (hier bei Wartungsarbeiten nicht befüllt) soll das unterirdische Messinstrument tief im Inneren der Abruzzen gegen störende kosmische Strahlung isolieren

Eine verrückte These?

Viele Kollegen hielten die These anfangs für falsch, gar „verrückt“. Zu den wenigen Forschern, die davon ausgingen, dass Pauli mit seiner Vermutung richtig lag, gehörte Enrico Fermi. Der italienische Physiker war es auch, der dem hypothetischen Teilchen 1933 einen wissenschaftlichen Namen gab: Neutrino (ital. für „kleines Neutron“).
 
Doch erst 1956 erbrachte ein USTeam den experimentellen Beweis: Die Forscher konnten mithilfe einer komplizierten Versuchsanordnung tatsächlich die Existenz eines Neutrinos nachweisen – zwei Jahre vor Paulis Tod. Inzwischen ist sogar bekannt, dass Neutrinos nicht nur beim Zerfall von bestimmten Atomen entstehen, sondern auch dann, wenn zwei Atomkerne miteinander verschmelzen – etwa bei jenen Fusionsprozessen, die in Sternen ablaufen.
 
Nicht zufällig dauerte die Suche nach dem Geisterteilchen derart lange. Denn die erstaunliche Fähigkeit der Neutrinos, einfach durch Materie hindurchzurauschen – sei es nun Felsgestein oder ein Ozean –, macht es so schwer, sie überhaupt mit Messgeräten zu detektieren. Das liegt letztlich daran, dass Materie und somit auch jedes Messgerät größtenteils aus leerem Raum besteht, so sehr dies unserer Alltagserfahrung auch zu widersprechen scheint. Denn die Atome, aus denen sämtliche Materie aufgebaut ist, sind alles andere als kompakte Gebilde.
 
Im Gegenteil: In der Mitte befindet sich – stark vereinfacht gesagt – ein winziger Kern, um den herum noch viel kleinere Elektronen schwirren (siehe Illustration Seite 148). Dazwischen aber ist nichts als ein elektromagnetisches Feld. Vergrößerte man beispielsweise das am einfachsten gebaute Atom (das Wasserstoffatom, um dessen Kern nur ein Elektron rast) auf den Durchmesser eines Fußballstadions, wäre der Kern etwa so groß wie eine Murmel. Das Elektron wiederum würde als verschwindend kleiner Punkt überall im Stadion herumsausen.

Milliarden Neutrinos prasseln jede Sekunde auf uns ein

Von den mehr als 60 Milliarden Neutrinos, die jede Sekunde durch einen Quadratzentimeter unserer Haut rauschen und dann weiter durch den Erdball fliegen, kollidiert gerade einmal ein Dutzend irgendwo auf dem Weg durch den Planeten mit einem Atomkern. Mit anderen Worten: Neutrinos machen fast nie auf sich aufmerksam.
 
Derart selten sind die Zusammenstöße, dass die Forscher gewaltige Apparaturen konstruieren müssen, die vom Volumen her größer sind als jedes andere Messgerät, um diese Reaktionen aufzuzeichnen. In der Regel bestehen die Detektoren aus gigantischen Tanks, die mit einer Flüssigkeit gefüllt sind – in der Hoffnung, dass irgendwann ein Neutrino mit den Atomen der Flüssigkeit in Wechselwirkung gerät.
 
Zudem sind die Neutrino-Detektoren tief in der Erde, im Meerwasser oder im arktischen Eis installiert, um sie von störenden Signalen abzuschirmen – anderen Teilchen oder Strahlen aus dem All, die ebenfalls mit der Flüssigkeit reagieren. Sonst würde der Detektor regelrecht mit Signalen überflutet. Daher liegt beispielsweise der japanische Detektor „Super-Kamiokande“ rund 1000 Meter tief in einem Bergmassiv. Er besteht aus einem gewaltigen Tank – fast 40 Meter breit und hoch wie ein zehngeschossiges Haus –, der 50 000 Kubikmeter extrem reinen Wassers enthält.

Neutrinodetektor Super-Kamiokande

Super-Kamiokande, Japan: Einen Kilometer unter der Erdoberfläche ist diese Neutrinofalle eingelassen: ein 41 Meter hoher und 39 Meter breiter Stahlzylinder, der mit 50 000 Tonnen hochreinen Wassers gefüllt ist. 13 000 Sensoren sollen jene Blitze detektieren, die bei der Kollison eines Neutrinos mit einem Wassermolekül aufleuchten und sich anschließend in der Anlage ausbreiten. Vermessen werden so vor allem Neutrinos, die in der Sonne oder durch kosmische Strahlung in der Erdatmosphäre entstehen.

IceCube: das größte je geschaffene Messinstrument

Die Wand dieses Kolosses ist mit 13.000 hochempfindlichen Sensoren bestückt, die wie Augen ins Innere des Tanks schauen. Prallt ein Neutrino auf seinem Weg durch den Wassertank auf den Kern oder ein Elektron eines der zahllosen Atome der Detektorflüssigkeit, entstehen aufgrund einer komplexen physikalischen Reaktion winzige Lichtblitze, welche die Sensoren aufzeichnen.

Noch gigantischer ist ein Neutrino-Detektor, den Forscher kilometertief in das 100 000 Jahre alte Eis der Antarktis getrieben haben: Mit Heißwasserstrahlen bohrten sie 86 Löcher in den Frost, um in rund 1500 Meter Tiefe jeweils 1000 Meter lange, senkrecht nach unten führende Ketten mit insgesamt 5160 Sensoren zu installieren. Auch diese Messfühler nehmen Lichtblitze auf, die entstehen, wenn ein Neutrino auf einen Atomkern oder ein Elektron im Eis trifft und dabei neue, elektrisch geladene Teilchen erzeugt.

Die Trossen sind so im Eis verteilt, dass die Sonden eine Art dreidimensionales Gitter bilden und dabei ein Volumen von einem Kubikkilometer überspannen. Damit ist "IceCube" das größte je von Menschen geschaffene Messinstrument. Dank seiner ungeheuren Ausmaße versetzt es die Forscher in die Lage, die Herkunftsrichtung eintreffender Neutrinos exakter als in anderen Detektoren zu bestimmen und zudem besonders hochenergetische, aber seltene Neutrinos aufzuspüren, die aus dem Kosmos herangerast kommen.

Lesen Sie die ganzen Artikel in GEO kompakt Nr. 51 "Die Geburt des Universums".