Nobelpreis Warum Neutrinos Teilchenphysiker elektrisieren

Takaaki Kajita (l) und Arthur B McDonald teilen sich den diesjährigen Physik-Nobelpreis.

(Foto: dpa)

Der Physik-Nobelpreis geht an zwei Neutrino-Forscher. Neutrinos zu fangen ist sehr aufwendig - aber die Teilchen könnten eine Frage beantworten, die Physiker schon lange quält.

Von Robert Gast

Eigentlich suchten die Physiker etwas ganz anderes. Sie fahndeten in den 1990er-Jahren nach einem extrem seltenen radioaktiven Zerfall. Das Proton, einer der Bausteine der Atomkerne, könnte instabil sein, vermuteten die Forscher. Aber um dessen Zerfall im Rauschen der allgegenwärtigen natürlichen Radioaktivität nachzuweisen, braucht man riesige, unterirdische Tanks voller sehr klarem Wasser.

Der Zerfall eines Protons zeigte sich bis heute in keinem dieser Tanks. Aber die Bottiche eignen sich glücklicherweise noch für eine andere Messung: Mit ihrer Hilfe können Forscher Neutrinos detektieren, die in unvorstellbar großer Zahl aus dem All auf die Erde niederprasseln. Wenn eines der Elementarteilchen einen Atomkern im Wasser trifft, entsteht ein blauer Lichtblitz, den empfindliche Kameras in den Wänden des Tanks aufnehmen.

Weil auch natürliche radioaktive Zerfälle von Atomen in Luft und Gestein das Wasser aufblitzen lassen, werden Detektoren tief unter der Erde gebaut und mit Schutzpanzern umgeben. Einer der größten Tanks dieser Art wurde 1996 in Japan fertiggestellt. "Super-Kamiokande" steht 1000 Meter unter der Erde, ist 40 Meter hoch und enthält 50 000 Tonnen Wasser.

Mit diesem Monstrum und einem kleineren Detektor in einer Nickelmine in Kanada gelangen um die Jahrtausendwende Messungen, die nun mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden. Sogenannte Neutrinos, von denen es drei verschiedene Varianten gibt, können im Flug ihre Teilchen-Identität wechseln, was nur geht, wenn sie eine, wenn auch winzige Masse haben.

Sprung im Standardmodell

Das klingt wie ein banales Detail. Aber es elektrisiert Teilchenphysiker. Das ansonsten sehr zuverlässige Regelwerk, mit dem die Forscher die Welt der Elementarteilchen beschreiben, das sogenannte Standardmodell, verbietet Neutrinos eine eigene Masse. "Die Experimente haben gezeigt, dass das Standardmodell einen Sprung hat", begründete das Nobel-Komitee die diesjährige Auszeichnung. Der Physiker Michael Müller-Preußker von der Humboldt-Universität Berlin formuliert es so: "Neutrinos stehen mit einem Bein im und dem anderen außerhalb des Standardmodells."

Außerhalb des Standardmodells - da wird es für Physiker spannend. Neben der Neutrino-Masse kennen sie noch andere Phänomene, die das in den 1970er-Jahren ausgearbeitete Regelwerk überfordern. Zum Beispiel wird das Weltall von sogenannter dunkler Materie geformt. Forscher sind überzeugt: Diese für Messinstrumente unsichtbare Masse hält Gruppen von Galaxien wie Klebstoff zusammen - aber sie taucht im Standardmodell nicht auf. "Es kann nicht die endgültige Theorie sein", sagt Werner Rodejohann vom Max-Planck-Institut für Kernphysik.

Neutrinos könnten den Forschern verraten, welche Naturgesetze zu denen des Standardmodells hinzukommen müssen. "Im Unterschied zu dunkler Materie können wir mit Neutrinos im Labor arbeiten", sagt Rodejohann. Tatsächlich gibt es heute Dutzende Detektoren, welche die flüchtigen Elementarteilchen untersuchen. Mal sind es unterirdische Tanks, in denen die Geisterteilchen eine Schlüsselrolle spielen. Andere Messungen untersuchen Neutrinos, die in den Brennstäben von Kernreaktoren entstehen. In der Antarktis haben Forscher lichtempfindliche Messgeräte kilometertief in das Eis versenkt.

Eine der Kernfragen der Forschung bleibt, woher Neutrinos ihre Masse haben. Eine beliebte Erklärung setzt unmittelbar nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren an. Damals schoss das Universum in Form von Strahlung auseinander, erst nach einigen Sekundenbruchteilen erhielten Elementarteilchen in dieser Ursuppe eine Masse. Damals könnte es neben den drei heute bekannten Neutrino-Arten noch eine weitere, deutlich schwerere Neutrino-Variante gegeben haben, erklärt Rodejohann.

Diese fetten Cousins hätten demnach verhindert, dass die heute übrigen Neutrinos mehr Masse abbekamen. Die beleibten Verwandten könnten in andere Elementarteilchen zerfallen sein. In diesem Prozess ist womöglich das heute sichtbare Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie entstanden. Gäbe es von beidem gleich viel, müsste sich das Universum selbst auslöschen. Da es jedoch existiert, brauchen Physiker ein paar Formeln, die weit über das betagte Standardmodell hinausgehen. Vielleicht weisen Neutrinos den Weg.

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