von Bernd Hoffmann
Wenn man von Astronomie hört, denkt man unweigerlich an dunkle klare Nächte auf hohen Bergen mit schönen, großen Optiken. Seltener denkt man an Radioteleskope, die auch bei be-decktem Himmel arbeiten. Aber welcher Astronom würde sich in den Berg einbuddeln und sich möglichst tief in einem Bergwerk verstecken? Welchem Astronom ist es (fast) egal, ob das zu beobachtende Objekt am Himmel ist oder nur von der anderen Seite der Erde zu sehen ist?
Diese komischen Astronomen gibt es wirklich, nennen sich Elementarteilchenphysiker und forschen über Neutrinos. Diese Teilchen existieren sehr häufig im Universum, sie machen aber fast nichts, sie sind kaum nachweisbar aber trotzdem hochinteressant. Warum? Dies möchte ich in diesem Bericht kurz beleuchten. Allerdings muß ich ein wenig ausholen, da nicht jedem die Grundzüge der Kern- und Elementarteilchenphysik geläufig sind. Keine Angst! Ich habe auch nicht vor, allzutief in die Materie einzusteigen.
Nebelkammeraufnahme von a -Zerfällen. Die Spuren der a -Teilchen sind alle gleich lang.
Die Neutrinoforschung begann schon zu Beginn dieses Jahrhunderts und war eng mit der Erforschung des sog. b -Zerfall radioaktiver Atome verbunden. Atome bestehen aus einer Hülle und einem Kern. Die Hülle besteht aus Elektronen, der Kern aus Protonen und Neutronen. Die Anzahl der Protonen legt fest, zu welchem Element der Kern gehört. So hat z.B. ein Kohlenstoff-Atom sechs Protonen im Kern, Stickstoff-Atome sieben. Die Zahl der Neutronen kann ein wenig variieren. So existieren Kohlenstoff-Kerne mit 6 Neutronen, aber auch mit 3, 4, 5, 7, 8, 9 und 10 Neutronen. Man nennt alle Atome, die eine bestimmte Kombination von Protonen und Neutronen besitzten, Isotope. Das Kohlenstoff-Atom mit 6 Protonen und 6 Neutronen wird Kohlenstoff-12-Isotop oder kurz 12 C genannt, das mit 8 Neutronen 14 C. Ein Kern mit 8 Protonen und 6 Neutronen ist dann ein Sauerstoff- 14 ( 14 O)-Isotop. Die Kerne radioaktiver Isotope sind aufgrund ihres Aufbaus nicht stabil, sondern zerfallen zu einem stabilen Kern. Dabei verlieren sie einen Teil ihrer Teilchen, aus denen sie aufgebaut sind. Desweiteren verlieren sie eine bestimmte Menge von Energie, die sich als Bewegungsenergie der weggeschleuderten Teilchen sowie als Rückstoß des Kerns äußert. So zerfällt z.B. ein Radon-222-Kern (86 Protonen und 136 Neutronen), wobei ein Paket aus 2 Protonen und 2 Neutronen (ein sog. a -Teilchen) aus dem Kern geschleudert wird. Dadurch entsteht aus dem Radon ein Polonium-Atom mit 84 Protonen und 134 Neutronen (218 Po). Da alle 222 Rn-Kerne, alle a -Teilchen und alle 218Po-Kerne gleich sind, bekommen sie auch alle die gleiche Energie, insbesondere fliegen die a -Teilchen alle gleich weit, bis sie an der Luft abgebremst werden (ein paar Zentimeter).
Vergleich der Energien bei a - und b - Zerfällen.
Beim sog. b -Zerfall ist das nun ein wenig komplizierter. Dabei wandelt sich ein Neutron (n) im Kern zu einem Proton (p) um, wobei ein Elektron (e-) im Kern entsteht und weggeschleudert wird. Ein Beispiel ist das eben erwähnte 14C-Isotop. Nach dem Zerfall ist daraus ein Stickstoff-14-Kern (7 Protonen, 7 Neutronen) entstanden. Betrachtet man nur die Teilchen, so kann man diese Reaktion kurz als
n à p + e- + Bewegungsenergie
schreiben.
Nun hat allerdings Chadwick 1914 gezeigt, daß die wegfliegenden Elektronen unterschiedliche Energien haben, die alle unterhalb einer maximalen Energie liegen. W. Pauli postulierte 1931 deswegen ein weiteres Teilchen, welches bei diesem Zerfall entsteht, einen Teil der Energie wegtransportieren kann, aber nicht zu beobachten ist. E. Fermi nannte es "Neutrino" (n ), da es wie das Neutron keine elektrische Ladung besitzt und "unscheinbarer" ist. Die Reaktion ist also in Wirklichkeit
n à p + e- + n + Bewegungsenergie.
(Korrekterweise handelt es sich dabei um ein Antineutrino. Aber dies erkläre ich erst später.) Wie schwer das Neutrino zu beobachten ist, sieht man darin, daß erst 1956 der erste direkte Nachweis gelang (C. L. Cowan und F. Reines).
Wo treten nun diese Neutrinos auf, damit sie für die Astronomen so interessant werden? Und wie kann man sie nachweisen? Die Reaktion, die ich oben bei dem b -Zerfall erwähnt habe, ist nur eine Möglichkeit, bei der Neutrinos entstehen. Eine weitere Reaktion ist der sog. K-Einfang, ein Sonderfall des b -Zerfalls. Dabei fängt der Atomkern ein Elektron der Hülle ein, wobei ein Proton in ein Neutron umgewandelt wird und ein Neutrino frei wird, kurz:
p + e- à n + n
Ein Beispiel dafür ist das Argon-37-Isotop. Die Reaktion lautet dann:
37Ar + e- à 37Cl + n + Bewegungsenergie.
Auch in der Sonne entstehen Neutrinos. Wenn in der Sonne Wasserstoff zu Helium verbrannt wird, ist dies eine Kernreaktion, die im einzelnen so aussieht:
Zuerst bilden zwei Protonen (d.h. zwei Wasserstoffkerne) ein instabilen Kern, der "Diproton" (d) genannt wird.
P + p à d + e- + n + freiwerdende Energie.
Auch hier entsteht ein Neutrino. Nach dieser Reaktion ist die Heliumbildung noch nicht abge-schlossen. Es folgen weitere Reaktionen werden unter anderem weitere Neutrinos unterschiedlicher Energien frei:
Insgesamt produziert die Sonne mehr als 2 * 1038 Neutrinos pro Sekunde. Eine Messung der Neutrinos und ihrer Energie bedeutet, daß man damit die Vorgänge im Innern der Sonne betrachten kann.
Natürlich entstehen bei einer Supernovaexplosion noch wesentlich mehr Neutrinos - etwa 1.000 mal mehr, als die Sonne in ihrem ganzen 10 Milliarden Jahre langen Leben produziert - die das All durchqueren und Informationen über die Mechanismen der Supernova übermitteln.
Es treffen zwar nicht alle entstandenen Neutrinos die Erde, aber insgesamt werden so viele Neutrinos frei, daß jeder Quadratmeter auf der Erde in jeder Sekunde von ca. 1015 Neutrinos getroffen wird. Auch so unsere Körper!
Dass wir davon nichts spüren, liegt an der Eigenschaft der Neutrinos, nur "schwach" mit der Materie zu reagieren. Statistisch gesehen werden während unserer Lebenszeit nur zwei Atomkerne unseres Körpers von Neutrinos getroffen. Die wenigen Reaktionen, die diese Neutrinos auslösen, sind im Wesentlichen die Umkehrungen der Reaktionen, bei denen sie entstehen. Das passiert aber sehr selten.
Nur einige Reaktionen treten etwas häufiger auf. So kann ein Neutrino, welches auf ein 37Cl-Kern trifft, dieses in ein 37Ar umwandeln, wobei ein Elektron frei wird, kurz:
37Cl + n à 37Ar + e-.
Dabei muß das Neutrino nicht nur das Proton genau treffen, sondern auch mindestens die oben erwähnte Rückstoßenergie mitbringen. Diese Energie haben aber nur die Sonnen-neutrinos der Kette 2 und 3. Etwas häufiger ist die Reaktion:
71Ga + n à 71Ge + e-.
Um diese Reaktion auszulösen, braucht das Neutrino weniger Energie, so daß auch Sonnen-neutrinos der ersten Stufe dazu in der Lage sind. Diese Reaktionen benützt man nun auch zum Nachweis der Neutrinos. Man nimmt also einen großen Behälter mit Galliumchlorid (z.B. 30 Tonnen), wartet eine Zeitlang (z.B. 2 Jahre) und versucht, die entstandenen Argon- und Germanium-Atome (z.B. zwei Atome pro Tag) zu zählen. Oder man nimmt einen großen Wasserbehälter und versucht die Lichtblitze zu registrieren, die durch die bei Reaktionen entstehenden Elektronen ausgelöst werden. Damit keine störende Effekte auftreten, wie z.B. energiereiche Höhenstrahlung, führt man diese Experimente in Höhlen, Gruben oder Tunneln unter Gebirgen durch. Auf diesem Prinzip beruhen alle Neutrinoexperimente, so z.B. das GALLEX-Experiment im Gran-Sasso-Tunnel in den Abruzzen.
Um die Eigenschaften der Neutrinos zusammenzufassen, muß ich nun zuerst das sogenannte "Standardmodell" erklären. Alle Materie, die wir kennen, ist aus wenigen Grundbausteinen aufgebaut, die durch fundamentale Naturkräfte, sog. Wechselwirkungen miteinander agieren. Die Grundbausteine kann man unterscheiden in Quarks und Leptonen, eingeteilt in sechs "Flavours" oder drei Generationen mit je zwei Vertretern.
Die erste Generation besteht aus den beiden Quarks "up" und "down", sowie den Leptonen "Elektron" und "Elektron-Neutrino". Aus diesen vier Bausteinen - sie sind die leichtesten - ist fast die ganze beobachtbare Materie aufgebaut. So besteht ein Proton aus drei Quarks (zwei up und ein down). Das Neutron hat ebenfalls drei Quarks - zwei down und ein up. Der b -Zerfall, bei dem ein Neutron in ein Proton umgewandelt wird, ist also eigentlich nur die Umwandlung eines down-in ein up-Quark.
Die zweite Generation besteht aus den Quarks "charme" und "strange" sowie den Leptonen "Myon" und "Myon-Neutrino". Das Myon ist z.B. Teil der hochenergetischen Höhenstrah-lung, die durch Kollision von kosmischer Teilchenstrahlung mit der Erdatmosphäre entsteht, zerfällt aber innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde. Die dritte Generation schließlich besteht aus den Quarks "top" und "bottom" und den Leptonen "Tauon" und "Tau(on)-Neutrino".
Alle diese Teilchen hat man in der Zwischenzeit auch künstlich in Beschleunigerringen her-gestellt und nachgewiesen. Gerade der Nachweis des "top"-Quarks war eine große Heraus-forderung, da die Masse eines einzelnen top-Quark etwa die eines Goldatoms (bestehend aus insgesamt 591 up- und down-Quarks) entspricht, und dementsprechend die Herstellung sehr viel Energie benötigt.
Von den fundamentalen Naturkräften zwischen den Bausteinen kennt man auch nur drei,und zwar die Gravitation,die Elektroschwache und die Starke Wechselwirkung.Sie äußern sich dadurch,daß die Quarks und die Leptonen sog. Wechselwirkungsquanten austauschen. Der bekannteste Vertreter dieser Gattung ist das Photon, das wir als Lichtteilchen kennen. Begegnen sich zwei Elektronen und stoßen sich wegen ihrer gleichen Ladung ab, so tauschen sie ein Photon aus. Ändert ein Proton seine Flugrichtung, so senden die Quarks Photonen aus.Auch umgekehrt: Will man, daß ein geladenes Teilchen seine Flugrichtung ändert, muß man es mit Photonen beschießen. Das Photon ist also der Überträger der Elektromagne-tischen Kraft, die ein Teil der Elektroschwachen Wechselwirkung ist. Die andereVertreter der Austauschteilchen dieser Kraft sind die sog. Vektorbosonen W+ ,W- und Z0 .Ein down-Quark,welches sich bei einem b -Zerfall in ein up-Quark umwandelt, tut dies unterAussenden einesW - -Bosons,welches wieder z.B. ein Elektron-Neutrino in ein Elektron umwandeln kann. Die Elektroschwache Wechselwirkung tritt zwischen geladenen Teilchen auf und kann diese Ladung transportieren. Das positive Proton verliert seine Ladung, wenn es sich in ein neutrales Neutron umwandelt. Die Ladung wird vom negativ geladenen W- -Boson auf das aus einem neutralen Neutrino entstehende Elektron übertragen.
Die Quarks innerhalb eines Protons oder Neutrons halten durch den Austausch sog. Gluonen, den Austauschteilchen der starken Wechselwirkung zusammen. Auch hier existiert eine Eigenschaft, vergleichbar mit der elektrischen Ladung, die die Gluonen transportieren. Man nennt diese Eigenschaft "Farbe",obwohl dies natürlich nichts mit der üblichen Bedeutung von Farbe zu tun hat. (Nachdem man denTeilchen schon "Geschmack" gegeben hatte, lag "Farbe" als weiter Eigenschaft nahe.) Es gibt "rote","blaue" und "grüne" Quarks. So tauschen die drei Quarks - egal ob sie up- oder down-Quarks sind - im Proton ständig "Farbe" aus. Dementsprechend existieren Gluonen, die z.B. "rot" zu einem Quark und gleichzeitig "grün" von einem Quark weg transportieren. Da ein Proton nach außen keine "Farbe" hat,sind die Quarks alle unterschiedlich "gefärbt",so daß analog zum RGB-Farbmodell "weiß" herauskommt.ImVergleich zur Elektrodynamik spricht man in diesem Zusammenhang auch von der Chromodynamik.
Die Gravitation nimmt eine Sonderstellung ein. Nach dem Austauschteilchen, dem "Graviton", wird intensiv gesucht, aber ob es überhaupt existiert oder die Gravitation nicht in das Bild einer Austausch Wechselwirkung paßt, ist noch nicht geklärt. Jedenfalls koppelt die Gravitation an eine Eigenschaft der Materie,die obwohl fundamental, theoretisch schwer zu fassen ist,nämlich die Masse. JedesTeilchen,welches eine Masse hat, übt auf andere Teilchen eine Anziehungskraft aus. Bisher konnte noch keine abstoßende Gravitation beobachtet werden. Desweiteren weiß man nicht, woher einTeilchen die Eigenschaft "Masse" bekommt, und zwar in genau der richtigen Größe.Auch fragt man sich, ob eine "Elementarmasse" existiert, und alle gemessenen Massen nur Vielfache einer "Elementarmasse" sind.
Die Reichweite der Wechselwirkungen hängt mit den Massen der Austauschteilchen zusammen. Das Photon besitzt keine Ruhemasse, deswegen ist die Reichweite der Elektromagnetischen Wechselwirkung unbeschränkt. Die Vektorbosonen und die Gluonen besitzen eine Masse, wodurch die Reichweite der Schwachen und der Starken Wechselwirkung auf den Atomkern beschränkt ist. Dementsprechend müssten die Gravitonen keine Ruhemasse besitzen, da die Gravitation nicht beschränkt ist.
Neben dem Standardmodell existieren in der Naturwissenschaft noch weitere Grundsätze, die sog. "Erhaltungssätze". Bestimmte Größen bleiben bei allen Reaktionen konstant, so. z.B. die elektrische Ladung. Wenn ein Proton in ein Neutron zerfällt, muss die positive Ladung des Protons erhalten bleiben. Sie wird mit dem Vektorboson wegtransportiert und auf andere Teilchen übertragen. Analoge Erhaltungssätze gelten z.B. für die Energie, den Impuls, den Drehimpuls, den Spin (mit Spin bezeichnet man eine innere Eigenschaft von Teilchen, die man mit einer Eigenrotation und dem daraus resultierendem Drehimpuls vergleichen kann) und der Farbe. All diese Größen bleiben, wenn man die Summe aller Teilchen betrachtet, konstant.
Mit diesen Erhaltungssätzen sind "Symmetrien" verknüpft. Dies kann man sich auch bildlich vorstellen: Wenn man ein Gegenstand spiegelt, er aber identisch mit seinem Spiegelbild bleibt, ist er symmetrisch. Wenn man ein Teilchen irgendwie transformiert, z.B. in ein anderes Teilchen umwandelt, aber eine Größe dabei erhalten bleibt, spricht man auch von einer Art von Symmetrie. Die Zusammenhänge zwischen den Transformationen und den zugehörigen Symmetrien sind allerdings nicht so leicht vorstellbar. Wenn ich z.B. nur ein Teilchen habe, es in der Zeit verschiebe (ich lasse es einfach ein Tag lang liegen), und es ist danach noch dasselbe Teilchen, so war die Energie des Teilchen erhalten geblieben. Der Physiker sagt also, dass aus der zeitlichen Symmetrie die Energieerhaltung folgt. Genauso folgt aus der Homogenität des Raumes (mein Teilchen ist "hier" wie "dort" das gleiche) die Impulserhaltung.
Nochmal zum b-Zerfall: Man kennt die Energie des Atomkerns vor und nach dem Zerfall. Die Energie des Elektrons, welches den Kern verläßt, ist immer unterschiedlich, aber man kann sie messen. Ein Teil davon geht in die Masse des Elektrons über (Einsteins berühmter Zusammenhang zwischen Energie und Masse, E = mc2 ), ein Teil in die Bewegung des Elektrons. Da die Summe der Energien sich nicht ändert, muß das Neutrino den Rest mitbekommen.
Als P. A. M. Dirac 1928 eine relativistische Formulierung der Quantenmechanik aufstellte, ergab sich aus der Lösung der Gleichung, dass neben den Teilchen auch sog. Antiteilchen existieren müßten. Sie haben zwar gleiche Masse, gleiche mittlere Lebensdauer und gleicher Spin, aber in allen anderen Eigenschaften weisen sie gegensätzliches Vorzeichen bei gleichem Betrag auf. So hat das Antiteilchen des Elektrons die gleichgroße, aber positive Ladung. 1932 entdeckte C. D. Anderson dieses sog. Positron (e + ), womit diese Theorie bestätigt wurde. In den folgenden Jahren wurden weitere Antiteilchen entdeckt, wobei insbesondere die Unterscheidung von Teilchen und Antiteilchen schwierig ist, wenn beide elektrisch neutral sind. So gibt es neben den Neutrinos auch die Antineutrinos. Das Photon und seine Antiteilchen sind identisch. Nochmal zu unserem Beispiel für den b -Zerfall: Beim Umwandeln von Neutronen in Protonen entstehen neben den Elektronen korrekterweise Elektron-Antineutrinos ( ne ). Also lautet die korrekte Gleichung, wobei die Rückstoßenergie nicht mit aufgeführt wird:
n à p + e- Vc
Und die gegenteilige Umwandlung eines Protons in ein Neutron, dem sog. b + -Zerfall, lautet somit:
p à n + e- + Vc.
Auch in diesen Beispielen ist die Ladung während der Reaktion erhalten geblieben. Nun können wir noch eine Erhaltungsgröße formulieren:
Die Zahl der Leptonen bleibt erhalten, wobei ein Teilchen positiv und ein Antiteilchen negativ in die Rechnung eingeht. Auf der linken Seite der Gleichungen stehen keine Leptonen, also kann auf den rechten Seiten nur ein Lepton zusammen mit einem leptonischen Antiteilchen stehen.
Endlich können wir nun die Eigenschaften der Neutrinos zusammenfassen. Aus der Ladungserhaltung folgt, daß sie neutral sind. Aus der Spinerhaltung folgt, daß sie den gleichen Spin wie Protonen, Neutronen und Elektronen haben. Aus der Farberhaltung folgt, daß sie wie Protonen, Neutronen und Elektronen keine Farbe haben. Sie wechselwirken nur mittels schweren Vektorbosonen mit den anderen Teilchen. Und da diese Vektorbosonen so schwer sind, die Reichweite sehr klein ist, reagieren die Neutrinos nur sehr selten mit anderer Materie. Und es gibt sie in drei "Geschmacksrichtungen", d.h. Flavours: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Was bisher nicht geklärt werden konnte, war die Masse! Und dies ist eine zentrale Frage. Denn auch wenn die Neutrinos eine noch so kleine Masse besitzen, mahen sie aufgrund ihrer großen Zahl einen Großteil der Masse in einer Galaxie aus. Und man weiß schon seit langem, daß die beobachtbare Masse einer Galaxie nicht ausreicht, ihre Stabilität zu erklären. Des weiteren stellt sich in diesem Zusammenhang die Frage, wie groß die Gesamtmasse des Universums ist. Reicht sie aus, die Expansion zu stoppen oder sogar umzukehren?
Die Messungen, die man bis dato machen konnte, sowie Astrophysikalische Überlegungen ergaben nur eine obere Grenze. Man schätzte ab, daß die Neutrinos auf jeden Fall leichter als 3,4·10-36 kg (also etwa der 270000ste Teil der Elektronenmasse) sein sollten, aber auch durchaus keine Masse besitzen könnten. (Wäre die Neutrinomasse etwas größer, wäre das Universum schon wieder kollabiert.) Mit der Masse der Neutrinos ist ein weiteres Problem der Neutrino-Beobachter verknüpft, das Neutrinodefizit der Sonne.
Die Astrophysiker sind recht gut in der Lage, die Energiebilanz der Sonne aufzustellen. Man kennt die Menge der abgestrahlten Energie, kann auf die Mechanismen der Energiegewinnung zurückschließen und dabei auch auf die Anzahl der Neutrinos schließen, die bei der Fusion in der Sonne entstehen sollten. Desweiteren ist es leicht, den Teil zu berechnen, der von der Sonne auf die Erde trifft. Auch kennt man die Wechselwirkung der Neutrinos mit der Materie. So dachte man sich, dass man dieses mit den Neutrino-Detektoren aus Galliumchlorid auch nachprüfen könnte. Was man aber sehr schnell entdeckte, war die Tatsache, dass zuwenige Neutrinos nachgewiesen wurden. Nur ca. 60 - 70% der Neutrinos kamen auf der Erde an. Zuerst dachte man natürlich daran, die Detektoren zu verbessern, aber das Problem blieb. Auch die Astrophysiker weigerten sich, ihr Sonnenmodell zu überarbeiten, damit weniger Neutrinos entstehen. Dadurch blieb nur die Möglichkeit, daß auf dem Weg von der Sonne zu der Erde ein Teil der Neutrinos verloren ginge. Eine derartige Möglichkeit ist die Umwandlung der Elektron-Neutrinos, wie sie in der Sonne entstehen, in Myon-Neu-trinos, die mit den Galliumchlorid-Detektoren nicht nachweisbar sind. Diese Umwandlung bezeichnen die Elementarteilchenphysiker als Oszillation, d.h. die Neutrinos "pendeln" zwischen den verschiedenen "Flavour"-Zuständen. Und aus der theoretischen Berechnung folgt, dass die Oszillationsfrequenz von der Massendifferenz der Neutrinos abhängt. Tritt also diese Oszillation auf, weiss man, daß die Neutrinos eine Masse haben und diese sogar von Flavour zu Flavour unterschiedlich ist. (Will sagen, das Elektron-Neutrino ist leichter als das Myon-Neutrino.) Umgekehrt: wenn die Neutrinos Masse haben, oszillieren sie. Deswegen war man gezwungen, einen Detektor aufzubauen, der auch die Myon-Neutrinos nachweisen kann.
Eine weitere Quelle von Neutrinos ist die Kosmische Höhenstrahlung. Diese hochenergetische Teilchenstrahlung entsteht, wenn andere hochenergetische Teilchen, die das Weltall durchkreuzen, die Erdatmosphäre treffen.
Durch diese Kollision entsteht eine Reihe von "Bruchstücken", d.h. Elementarteilchen, die wiederum mit den Atomkernen der Atmosphärengase reagieren und weitere Teilchen erzeugen. Die Folge ist ein Schauer von Teilchen, der bis zur Erdoberfläche reicht und ein Teil der natürlichen Strahlenbelastung der Menschen ausmacht.
Bild der Sonne im "Neutrino-Licht", aufgenommen mit dem Super-Kamiokande-Observatorium.
Wie ich vorhin schon erwähnt habe, entstehen in der Kosmischen Höhenstrahlung auch Myonen und dabei auch die Myon-Neutrinos. Die meisten Teilchen der Kosmischen Höhenstrahlung werden in den untersten Atmosphären- und obersten Erdschichten absorbiert, die Myon-Neutrinos nicht. Also vergräbt man wieder die Detektoren in Bergwerken, und versucht diese Myon-Neutrinos nachzuweisen. Zuerst ist man davon ausgegangen, daß das Verhältnis zwischen atmosphärischen Myon-Neutrinos zu Elektron-Neutrino etwa bei 2 zu 1 liegen sollte. Gemessen hatte man allerdings nur etwa gleichviele Myon-Neutrinos. Auch hier stellte sich die Frage, ob die Myon-Neutrinos mit den Tauon-Neutrinos oszillieren, so daß die Hälfte der Myon-Neutrinos zum Zeitpunkt der Messung als Tauon-Neutrinos vorliegen, die man allerdings noch nicht nachweisen kann.
Forscher des japanischen "Super-Kamiokande-Observatorium" haben auf der Fachtagung "Neutrino 98", welche in diesem Juni in Takayama/Japan stattfand, veröffentlicht, daß sie diese Oszillation nachweisen konnten. Diese Messungen wurden von anderen Observatorien, z.B. dem "Sudbury Neutrino Observatorium", 200 km nördlich von Toronto, bestätigt.
Der japanische Detektor besteht aus einem 50 000 Tonnen schweren Tank, gefüllt mit sehr reinem Wasser. Die Wände des Tanks sind mit 11 146 Photomultiplier bestückt. Diese Photomultiplier sind Detektoren, die auch schwache Lichtimpulse in verwertbare elektrische Spannungen umwandeln können. Das ganze wurde in einer alten Zink-Mine, 1610 Meter unter dem Mount Ikena in den Japanischen Alpen aufgebaut. Desweiteren braucht man noch in der Mine eine Filteranlage für das Wasser, einen Elektronenbeschleuniger, um das System von Zeit zu Zeit zu kalibrieren, fünf Lastwagen voller Elektronik, eine Steuerzentrale, Präparationsräume, usw. Seit dem 1. April 1996 werden dort Daten produziert.
Wenn nun ein Neutrino auf ein Sauerstoffatom in dem Wassertank trifft, kann, je nach Art des Neutrinos, ein Elektron oder ein Myon entstehen. Diese geladene Teilchen besitzen bei ihrer Entstehung eine so große Energie, daß sie mit fast der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit von ihrem Entstehungsort werfliegen und erst nach einigen Metern wieder abgebremst werden. Da die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit im Wasser ist, produzieren die Teilchen einen Lichtblitz, ähnlich einem Überschall-Knall eines Flugzeuges. Dieser blaue Lichtblitz - er wird "Cherenkov-Strahlung" genannt - hat die Form eines Kegels mit einem halben Öffnungswinkel von 42° und wird von den Photomultiplier als Ring an der Wand registriert. Aus Größe, Form und Intensität des Lichtblitzes kann man auf die Richtung, Energie und Art des Partikels schließen.
Der Super-Kamiokande-Detektor ist in der Lage, 5 - 6 Neutrinos pro Tag zu erfassen. Dies sind genügend Ereignisse, um eine fundierte Statistik zu erarbeiten. Desweiteren hat man eine Winkelauflösung, da man auf die Richtung der einfallenden Neutrinos schließen kann.
Bei den Experimenten wurde eine klare Abhängigkeit des Myon-Neutrino-Flußes von dem Winkel gegenüber dem Zenit gemessen. Kurz: Von unten kamen weniger Myon-Neutrinos als von oben. Die einzige Erklärungsmöglichkeit, die mit den experimentalen Daten übereinstimmt, ist das Oszillieren der Myon-Neutrinos. Die Neutrinos, die durch die Erde kommen, haben bei ca. 13 000 km Flugstrecke mehr Zeit gehabt, sich in Tauon-Neutrinos umzuwandeln, als die Neutrinos, die von oben kommen und nur 20 km hinter sich haben.
Desweiteren konnte man feststellen, daß die Neutrinos, die größere Energie haben, also schneller flogen, seltener oszilliert sind. Dies paßt gut mit der Relativitätstheorie Einsteins zusammen. Für diese Neutrinos vergeht die Zeit einfach langsamer.
Aus den Daten konnte auf eine Massedifferenz zwischen den Myon- und Tauon-Neutrinos von 1,25·10-37 kg geschlossen werden.
Neuere Erkenntnisse über die Sonnenneutrinos (d.h. Elektronneutrinos) konnten noch nicht zusammengestellt werden. Da müssen sich die beteiligten Forscher noch durch den produzierten Datenberg wühlen und warten, bis andere die Ergebnisse bestätigen.
Die Auswirkungen dieser Erkenntnis ist momentan noch nicht abzuschätzen.
Das "Standard-Modell" muß angepaßt werden. Die bisherige Überlegungen gingen von masselosen Neutrinos aus. In wieweit die Neutrinomassen die Aussagen des "Standard-Modells" verändern, Grenzen für die sog. "Große Vereinheitlichung", der gemeinsamen Theorie der Elektroschwachen und der Starken Wechselwirkung, verschiebt, das Proton noch stabiler macht, als man sich momentan denkt, ... werden die nächsten Jahre zeigen.
Die Modelle zur Galaxienbildung müssen überarbeitet werden. Nun wirken die Neutrinos bei der Energie- und Massenverteilung sowie deren Transport innerhalb der Galaxien mit.
Allerdings muß für diese Fragestellungen die genaue Masse eines Neutrinos festgelegt werden. Die Massedifferenz zweier Neutrinoarten hilft wohl nur bedingt weiter.
Neutrinos spielen eine größere Rolle im Energietransport von Sonnen und Supernovae, ...
Ich hatte schon erwähnt, daß während einer Supernova-Explosion wesentlich mehr Neutrinos entstehen, als die Sonne ihr ganzes Leben lang produziert. Allerdings passiert dies nur innerhalb von etwa 10 Sekunden. Und wie die Astrophysiker nun mal sind, wollen sie so einen "Burst" auch messen. Also graben sie sich wieder in ein Bergwerk ein, diesmal Salzbergwerken in New Mexiko und in Groß Britannien, nennen dies "Observatorium für Multiflavour Neutrinos aus Supernovae" kurz OMNIS, und warten.
Gegenüber allen anderen Neutrinos-Experimenten erwarten diese Forscher, daß sie alle drei Arten von Neutrinos messen und unterscheiden können. Sie erwarten, daß die Myon- und Tau-Neutrinos die Natrium- oder Chlorkerne der Salzwände oder die Atomkerne der Eisenplatten nahe der Detektoren treffen. Die Elektron-Neutrinos sind dazu nicht in der Lage. Für sie sind Bleiplatten vorgesehen, deren Atomkerne sie zerstören können. Die bei diesen Reaktionen entstehenden Neutronen fliegen durch den Raum und sollen die Detektoren treffen.
Eine Supernova würde sich in etwa 2000 Zerfälle in 10 Sekunden bemerkbar machen, wobei davon 60% in den ersten zwei Sekunden auftreten. Desweiteren erhoffen sich die Forscher aus der Form des Neutrino-Pulses Erkenntnisse, ob ein Schwarzes Loch aus der Supernova entsteht. Bricht der Neutrinostrom plötzlich zusammen, währe dies ein gutes Indiz für ein entstehendes Schwarzes Loch.
Ob diese beiden Observatorien in Betrieb gehen, ist noch nicht klar. Versuchen sie mal Geldgebern, meistens Beamten, klar zu machen, daß sie 40 Millionen Dollar für den Nachweis von 2000 Teilchen brauchen, und dafür auch noch unter Umständen Jahre oder Jahrzehnte warten müssen.
Nebenbei: Alle schon 1987 existierenden Neutrino- Observatorien haben bei der SN1987-A gerade einmal 19±1 Neutrinos gemessen.
Zumindest ist das Salzbergwerk in New Mexico schon ausgebaut. Dort wird schon seit Jahren nuklearer Abfall vergraben, was die Messungen nicht weiter stören sollte. Die Betreiber des Salzbergwerkes sind über die Pläne natürlich begeistert. So können sie neben der Müllentsorgung noch etwas "wirklich sinnvolles, wissenschaftlich zweckmäßiges" tun.
Diese bahnbrechenden Ergebnisse auf der Konferenz "Neutrino 98" haben andere Beiträge in den Hindergrund gestellt, obwohl auch sie bemerkenswert sind. So wurden auch erste Daten zu den Sonnenneutrinos, gemessen am Super-Kamiokande, der Öffentlichkeit vorgestellt. Auch in diesen Daten deutet sich eine Oszillation an, aber es sind noch mehr Daten notwendig.
Die Forscher stellten sich auch die Frage, ob die Neutrinos "einfach so" im Vakuum oszillieren, oder nur in der Nähe von Materie, d.h. nur in der Sonne oder in der Erde. Im ersten Falle würde die Anzahl der Oszillationen von der Neutrinoenergie und von dem Abstand Erde-Sonne abhängen. Allerdings muß dann die Oszillationslänge, d.h. der mittlere Abstand zwischen Entstehung und Umwandlungen eines Neutrinos, in der Größenordnung des Orbitalradiuses liegen. In der anderen Theorie sollte man eine Variation der Sonnenneutrinos in Abhängigkeit der Tageszeit messen. Der Effekt sollte dann am größten sein, wenn die Neutrinos durch den dichten Erdkern reisen. Die "nur-so"-Theorie sagt keine tageszeitliche Abhängigkeit, sondern eine jahreszeitliche Variation vorraus.
Die älteren Detektoren konnten nie soviele Neutrinos messen, um eine Aussage zu treffen. Mit den rund 7000 Sonnenneutrinos (dreimal mehr als alle anderen Detektoren zusammen) die der Super-Kamiokande seit April 1996 gemessen hat, sind nun erste Abschätzungen möglich. Bisher wurde noch keine Tag-Nacht- Variation gefunden, allerdings eine ganz kleine jahreszeitliche. Dies würde dafür sprechen, daß die Oszillation im leeren Raum stattfinden kann. Aber überbewerten sollte man die Ergebnisse noch nicht. Alle Forscher sind sich einig, daß noch mehr Sonnenneutrinos gemessen werden müssen, um gesicherte Aussagen treffen zu können. Und auch sind sie sich sicher, daß man von Super- Kaminokande einen Fortschritt in diesem jahrzehnte alten Puzzel erwarten kann.
Science 280, p1839, 19 Juni 1998
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