27: Neutrinos

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Bildrechte: IceCube Collaboration

In bisherigen Weltallwissend-Beiträgen ging es meistens um sehr große Dinge: um Sterne, Planeten oder gar ganze Galaxien. Doch tatsächlich kann es selbst in der Astronomie mal sinnvoll sein, sich mit sehr kleinen Teilchen zu beschäftigen – auch wenn dort einiges auf den ersten Blick absurd erscheinen kann. Um gleich mit dem Beispiel der Neutrinos einzusteigen, kann es da auch passieren, dass sich Astronomen über einen Kilometer unter die Erde begeben müssen, um die Sonne zu erforschen, oder dass man zu dem Schluss kommt, dass pro Quadratzentimeter und pro Sekunde 70 Milliarden kleiner Teilchen von der Sonne die Erde erreichen und (größtenteils) den gesamten Planeten einfach durchqueren, als würde er nicht existieren. Aber fangen wir von vorne an!

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts war die Erforschung der Radioaktivität in vollem Gange. Beim β-Zerfall, einer möglichen Art radioaktiven Zerfalls, fiel den Wissenschaftlern dabei jedoch etwas seltsames auf: Die Teilchen vor dem Zerfall besaßen eine größere Energie als die Produkte der Reaktion. Es schien also etwas Energie verloren zu gehen! Wenn der Energieerhaltungssatz gültig ist, kann das jedoch nicht sein. Doch es kommt noch besser: Bei unterschiedlichen Messungen von unterschiedlichen Fällen von β-Zerfall ging unterschiedlich viel Energie verloren, obwohl es sich doch jeweils um die gleiche Reaktion gehandelt haben sollte.

Viele Physiker zogen daraufhin ernsthaft in Erwägung, den Energieerhaltungssatz zu verwerfen. Doch im Jahr 1930 stellte Wolfgang Pauli eine andere Hypothese auf: Er vermutete, dass bei dem β-Zerfall ein weiteres Teilchen entsteht, das uns noch unbekannt ist und einen Teil der Energie mit sich davonträgt. Dabei wird es in verschiedenen Fällen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus dem zerfallenden Kern ausgestoßen, trägt also unterschiedlich viel Bewegungsenergie mit sich fort. Dass dieses Teilchen zuvor noch nicht nachgewiesen worden war, erklärte sich Pauli damit, dass es elektrisch neutral sein und, wenn überhaupt, eine sehr geringe Masse haben müsse. Drei Jahre später nannte der Physiker Enrico Fermi dieses hypothetische Teilchen daher „Neutrino“ („das kleine Neutrale“). Dieser Name ist bis heute hängen geblieben.

Wenige Jahrzehnte später wurde erstmals ein solches Neutrino tatsächlich nachgewiesen und bis heute hat man noch einiges über diese seltsamen Teilchen herausgefunden: Wie Pauli bereits vermutete, besitzen Neutrinos keine elektrische Ladung und im Vergleich zu Elektronen oder gar Protonen eine extrem geringe Masse (lange war man sich unsicher, ob sie überhaupt eine Masse haben). Das führt dazu, dass ihnen praktisch alles egal ist, sie sind gewissermaßen die Ignoranten des Universums. Für gewöhnlich lassen sie sich durch nichts und niemanden aufhalten und können durch jegliche Materie einfach hindurchfliegen.

Etwas wissenschaftlicher ausgedrückt ist es einfach sehr unwahrscheinlich, dass sie mit anderen Teilchen wechselwirken. Dazu müssten sie schon direkt in einen Atomkern hineinfliegen, dann könnten sie mit einem Proton oder einem Neutron reagieren, doch tatsächlich bestehen Atome gewissermaßen aus sehr viel Nichts und einem sehr kleinen Atomkern im Zentrum. (Zusätzlich finden sich dann außen vereinzelt ein paar Elektronen.) Dass die Neutrinos direkt diesen Atomkern treffen, um überhaupt mit einem anderen Teilchen reagieren zu können, ist also sehr unwahrscheinlich.

Doch wenn wir uns noch etwas weiter mit den Neutrinos beschäftigen, gelangen wir zu einer verblüffenden Erkenntnis. Neutrinos entstehen schließlich bei vielen Kernreaktionen. Ein Beispiel dafür wäre der bereits erwähnte β-Zerfall, ein anderes die Kernfusion. Und in etwa 150 Millionen Kilometern Entfernung gibt es einen Ort, in dem diese Kernfusion in einer unvorstellbar hohen Menge stattfindet – im Inneren unserer Sonne (siehe Weltallwissend 1 „Der Tod der Sonne“ und Weltallwissend 19 „Ein Sternenleben“). Unser Heimatstern bezieht seine gesamte Energie aus diesen Kernreaktionen, bei denen auch jeweils Neutrinos freigesetzt werden. Es entstehen also unglaublich viele solcher Neutrinos im Kern der Sonne, die dann, beinahe mit Lichtgeschwindigkeit, in alle möglichen Richtungen davonfliegen. Das tun sie in einer so großen Anzahl, dass selbst hier, auf der Erde, noch 70 Milliarden Neutrinos pro Sekunde und pro Quadratzentimeter ankommen. Versuchen Sie mal, sich das vorzustellen! Auf einer Fläche von der Größe ihres Daumennagels erreichen uns in jeder Sekunde 70 Milliarden Neutrinos, von denen die allermeisten einfach durch unseren Körper und die gesamte Erde hindurchfliegen, ohne dass wir irgendetwas davon mitbekommen. Aber Sie brauchen sich keine Sorgen zu machen: Selbst wenn mal ein Neutrino mit einem Atom in Ihrem Körper reagiert, wird lediglich ein Neutron in ein Proton umgewandelt, davon merken Sie überhaupt nichts.

Für die Erforschung der Sonne sind diese Teilchen übrigens sehr hilfreich. Denn sie sind die einzige Informationsquelle, die auf direktem Weg aus dem Kern der Sonne kommt. Das Licht wird auf dem Weg an die Oberfläche immer wieder von Materie absorbiert und aufs Neue emittiert, doch die Neutrinos schaffen es, ohne Probleme die Sonne zu verlassen und wenn wir sie messen, können sie uns daher vieles über das Innere der Sonne verraten.

Das ist ja alles schön und gut, aber wie können wir sie eigentlich messen, wenn sie sich doch um nichts und niemanden kümmern?

Wie schon beschrieben, ist es zwar sehr selten, dass sie mit etwas reagieren, aber manchmal passiert es eben doch. Und bei der großen Menge an Neutrinos, die von der Sonne aus auf uns zufliegen, wird es früher oder später geschehen, und das können wir uns zunutze machen. Eine solche Reaktion sieht, wie oben erwähnt, für gewöhnlich so aus, dass ein Neutron in ein Proton umgewandelt wird – und das kann man im Nachhinein nachweisen. Besonders häufig wird dafür Chlor-37 oder Gallium-71 genommen, die unter Neutrinobeschuss zu Argon-37 beziehungsweise Germanium-71 werden können.

Um die Detektoren vor anderen Einflüssen zu schützen, begibt man sich zur Messung von Neutrinos jedoch meistens über einen Kilometer unter die Erdoberfläche. Es mag zwar auf den ersten Blick absurd erscheinen, etwas, das von der Sonne kommt, unter der Erde beobachten zu wollen, doch im Gegensatz zu Hintergrundeinflüssen, die so ausgeschlossen werden, stören sich die Neutrinos daran schließlich nicht.

Doch dieses chemische Verfahren hat auch einen großen Nachteil: Man misst nur, wie viele Neutrinos in dem Detektor mit einem Atom reagiert haben, aber nicht, wie viel Energie sie haben oder in welche Richtung sie unterwegs waren. Um darüber ebenfalls Informationen zu erhalten, haben die Wissenschaftler andere Messinstrumente gebaut, beispielsweise IceCube. Hier wurde mitten im Eis der Antarktis in einer Tiefe zwischen 1,5 bis 2,5 Kilometern ein Kubikkilometer an Eis mit Detektoren bestückt. Bei Reaktionen von Neutrinos mit diesem Eis entstehen Elektronen oder Myonen, die sich sehr schnell bewegen – teilweise so schnell, dass sie die lokale Lichtgeschwindigkeit überschreiten (siehe Infobox). In diesem Moment gibt es einen Lichtblitz, den die Detektoren wahrnehmen können, so ähnlich wie der Knall, wenn ein Flugzeug die Schallgeschwindigkeit überschreitet.

Nichts kann sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diesen Satz haben bestimmt die meisten schon mal gehört. Doch hier muss man aufpassen: Dabei ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gemeint. Wenn Licht sich durch Materie bewegt (zum Beispiel durch das Eis der Antarktis), wird es abgebremst. Die Geschwindigkeit, die das Licht nun hat, wird als lokale Lichtgeschwindigkeit bezeichnet. Teilchen können diese lokale Lichtgeschwindigkeit überschreiten, sich also gewissermaßen doch schneller als das Licht bewegen, sie können aber niemals die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten.

Es sieht zwar nicht wie Astronomie aus, wenn Wissenschaftler Lichtblitze im Eis der Antarktis über einen Kilometer unter der Oberfläche beobachten, doch dabei handelt es sich tatsächlich um astronomische Forschung, es ist nur eine ganz neue Art von astronomischer Forschung. Man kann heute auf immer mehr Arten versuchen, etwas über das Universum herauszufinden; die Astronomie wird immer vielfältiger, wie man an dem Beispiel der Neutrinos sehr gut sehen kann. Ich habe zwar keine Ahnung, welche Möglichkeiten zur astronomischen Forschung sich in den nächsten Jahrzehnten noch öffnen werden, doch ich bin mir sicher, dass es neue Möglichkeiten geben wird, und ich bin sehr gespannt auf sie und die neuen Erkenntnisse, die wir dadurch über das Universum gewinnen werden.

Für Lana, die Neutrinos ebenso witzig findet wie ich. Und für Carla, die das nachvollziehen möchte. Ich hoffe, dieser Artikel hat dabei geholfen.

Quellen: