Geschichte der Astroteilchenphysik

Ballonaufstieg des Victor Hess um 1912.

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Der Aufstieg zu einer der Ballonfahrten vom Wiener Prater aus, die V.F. Hess und seine Mitarbeiter in den Jahren 1911 bis 1913 unternahmen. Dabei konnten sie beweisen, daß der sogenannte "Resteffekt" bezüglich der Entladung in Luft in größerer Höhe anstieg und schlossen daraus, dass die Strahlung, die diesen Effekt verursacht, aus dem Weltall kommen muß.

Das ausgehende 19. und beginnende 20. Jahrhundert war Zeuge einer Reihe von bahnbrechenden naturwissenschaftlichen Entdeckungen, wie die der Röntgenstrahlung und der Radioaktivität. Diese neuen und spannenden Teilgebiete der Physik zogen viele Forscher an, die sich mit den verschiedenen Teilaspekten der gerade entdeckten Phänomene befassten. So stießen im Jahr 1900 J. Elster und H. Geitel, sowie C.T.R. Wilson unabhängig von einander auf das Problem der Ionisation von Luft. Sie hatten beobachtet, daß geladene Gegenstände ihre Ladung an der Luft verlieren, obwohl Luft eigentlich ein guter Isolator ist. Eine plausible Erklärung schien die Annahme zu sein, daß ionisierende Strahlen, wie die der radioaktiven Strahlung, für diese Entladung sorgten. Als eigentliche Schwierigkeit stellte sich jedoch die Frage nach der Herkunft der Strahlen heraus. Denn selbst wenn man alle denkbaren unmittelbaren Quellen von Radioaktivität, wie z.B. eine Verunreinigung der verwendeten Materialien, in Betracht zog, blieb doch ein scheinbar unerklärbarer "Resteffekt" bestehen. Als mögliche Ursache hierfür wurde das Vorhandensein radioaktiver Substanzen im Gestein der Erde angenommen. Frühe Überlegungen, ob nicht auch Strahlung aus dem Weltraum für das Phänomen verantwortlich sein könne, setzten sich zunächst nicht durch.  Doch im Jahr 1912 sollte sich das ändern. Verschiedene Versuche hatten bereits beweisen sollen, daß die Strahlen aus der Erde kamen und daher in großer Höhe abnahmen. Als jedoch V.F. Hess 1912 eine Reihe von Messungen zum Resteffekt auswertete, die er bei mehreren Ballonfahrten aufgenommen hatte, zeigte sich, daß dieser Effekt nur bis zu einer gewissen Höhe abnahm, um dann merklich anzusteigen: Die Strahlen kamen aus dem Weltraum! Und obwohl es noch einige Jahre dauerte, bis die Idee der kosmischen Strahlung allgemein anerkannt war, gilt das Jahr 1912 seitdem als ihr Entdeckungsjahr. Hess erhielt 1936 zusammen mit C.D. Anderson den Nobelpreis für Physik.

Observatorium für Höhenstrahlung auf der Zugspitze auf 2960m.

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Um die neu entdeckte kosmische Strahlung zu untersuchen, wurden unter anderem Meßstationen im Hochgebirge eingerichtet. Dieses Bild zeigt das Observatorium für Höhenstrahlung auf der Zugspitze auf 2960 m. Wie viele dieser Stationen wird auch die auf der Zugspitze noch immer wissenschaftlich genutzt, heute allerdings zur meteorologischen Forschung.

Der Entdeckung der zunächst so genannten "Höhenstrahlung" folgten weitere. 1913 konnte W. Kohlhörster Hess' Ergebnisse in eigenen Ballonexperimenten bestätigen. Der Ausbruch des Ersten Weltkrieges im Folgejahr hemmte für einige Zeit Fortschritte in der Erforschung des Phänomens der kosmischen Strahlung. Doch eine Arbeit von W. Nernst über die spekulative Herkunft der Strahlung aus Zerfällen von Sternen brachte 1921 das Thema zurück in die Forschungsdebatte. Allmählich begann sich der Gedanke zu etablieren, daß es sich bei den sogenannten "Cosmic Rays" um geladene Teilchen handele. Es war schließlich R.A. Millikan, der 1926 nach einer Reihe von Experimenten über die Natur der kosmischen Strahlung schloß, es gäbe "quite unambigious evidence for the existence of very hard etherial rays of cosmic origin entering the earth uniformly from all directions".
Die Annahme, bei dieser harten Strahlung handele es sich um Teilchen bestätigte sich 1927, als zufällig erstmals die Aufnahme einer Teilchenspur, die eindeutig kosmischen Ursprungs war, gelang. 1932 wurde schließlich das Positron entdeckt. Obwohl es von Dirac bereits theoretisch vorhergesagt worden war, stieß C.D. Anderson nur durch Zufall auf eine Spur dieses Teilchens bei Experimenten mit einer Nebelkammer. Die Anfänge der modernen Teilchenphysik begründen sich also auch auf Forschungsansätze der frühen Physik der kosmischen Strahlung. Nicht nur auf der experimentellen Ebene gab es bis zum Zweiten Weltkrieg Fortschritte zu verzeichnen, sondern auch die Theoretische Physik profitierte von der Beschäftigung mit der kosmischen Strahlung. So berechneten Mitte der 1930er Jahre östliche und westliche Forscher unabhängig von einander die Existenz weiterer bis dahin unbekannter Elementarteilchen, die später als Myonen und Pionen bekannt wurden und experimentell nachgewiesen werden konnten. Der Vorläufer der Astroteilchenphysik beinhaltete damit bereits viele der Aspekte, die sich heute wieder in ihr vereint zu haben scheinen.

Grundlage der weitreichenden Forschungsarbeiten war eine Vielzahl technischer Weiterentwicklungen, die unterschiedliche Konsequenzen für die Zukunft der Astroteilchenphysik hatten. So wurden vor allem die verschiedenen Messinstrumente entscheidend verbessert, so daß unter immer extremeren Bedingungen noch zuverlässige Daten gesammelt werden konnten. Bemannte und unbemannte Ballonfahrten etwa konnten in immer größeren Höhen durchgeführt werden, da die benötigten Apparate immer leichter wurden und den besonderen Bedingungen angepasst wurden. Dies führte zum einen dazu, dass sich die Forschung der kosmischen Strahlung mehr und mehr etablierte, durch präzisere Forschungergebnisse. Zum anderen scheinen damit auch erste Schritte auf dem Weg zur modernen Raumfahrt gemacht worden zu sein. 

Kohlhörster bei Strahlungsmessungen in einem Stollen um 1923.

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W. Kohlhörster bei Strahlungsmessungen in einem Stollen um1923. Neben V.F. Hess war W. Kohlhörster einer der Pioniere auf dem Gebiet der Erforschung der Höhenstrahlung. Er wiederholte unter anderem Hess' Ballonexperimente in noch größerer Höhe. Strahlungsmessungen in Stollen, wie auf diesem Bild dienten dazu, die Absorption der Strahlung durch Gestein bestimmen zu können.

Die technischen Neuerungen waren es jedoch auch, die der frühen Physik der Höhenstrahlung eine langanhaltende Krise bescherten, denn seit den 1930er Jahren gab es eine neue Methode der Detektion von Elementarteilchen: den Teilchenbeschleuniger. 1929 war von Lawrence das Zyklotron, ein Elektronenbeschleuniger, entwickelt worden. Diese Erfindung wurde stetig weiter ausgebaut, so daß vor allem seit den 1950er Jahren Teilchenbschleuniger als DIE Quelle für die Entdeckung neuer Teilchen galten. Damit einher ging natürlich auch eine Erweiterung des theoretischen Wissens um die Entstehungsprozesse von Teilchen, z.B. durch Teilchenzerfall. Die Beschleunigerphysik sollte eine dominante Rolle für die kommenden Jahrzehnte spielen. Hier gibt es einen Zusammenhang zu  einem allgemeinen starken Interesse an teilchenphysikalischen Phänomenen, wie etwa der zivilen und militärischen Nutzung von Atomkraft. Auch eine weitere Teildisziplin, deren Anfänge eng mit der frühen Erforschung der kosmischen Strahlung verknüpft waren, die Raumfahrt, lenkte das öffentliche Interesse auf ihre ganz eigenen Forschungsschwerpunkte.

Unterwassermessungen im Bodensee von einem Boot aus, 1928.

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Unterwassermessungen im Bodensee von einem Boot aus, 1928. Auch E. Regener gehörte zu den Wissenschaftlern, die sich schon früh mit den kosmischen Strahlen beschäftigte. Das Bild zeigt eines der Boote von denen aus unter seiner Anleitung im Bodensee Strahlungsmessungen vornahmen. Die Skizze dazu zeigt die Tauchvorrichtung mit der die Ionisationskammer, auch "die Bodensee-Bombe" genannt, ins Wasser gelassen wurde.

Dennoch gab es bereits zu einem frühen Zeitpunkt mahnende Stimmen, die darauf hinwiesen, dass Teilchen, die aus dem Weltall kommen, teilweise weit höhere Energien aufweisen, als  künstliche Beschleuniger jemals erzeugen können. Tatsächlich erreichten viele Beschleuniger ihre Leistungsgrenzen und befinden sich zurzeit in einer Phase des Ausbaus und der Umstrukturierung. 1987 gab es die ersten Bemühungen, die unterschiedlichen Teile, in die sich die Anfänge der Erforschung der Höhenstrahlung aufgeteilt hatte, wieder in einer Disziplin zusammen zu führen. In diesem Jahr fand auf Sizilien die "1. International School on Astroparticle Physics" statt. Der Untertitel der gedruckt herausgegebenen Vorträge lautete: "A Unified View of the Macro- and the Micro-Cosmos" und zeichnete bereits den Weg einer sich (wieder-) vereinigenden Teilchen- und Astrophysik ab. Es sollte jedoch noch eine Weile dauern, bis sich der Begriff "Astroteilchenphysik" dafür endgültig durchsetzte.

Seit den 1980er Jahren ist die neue Astroteilchenphysik nun wieder stärker in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Ihre Etablierung lässt sich auch an äußeren Kriterien, wie der Zubilligung des Status als eigenständiger Förderbereich beim BMBF im Jahre 1999, festmachen. Heutzutage untersuchen Forscher nicht mehr nur die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung selbst, sondern versuchen auch, Aussagen über die Beschaffenheit der Strahlungsquellen zu machen. Denn man geht davon aus, daß die Teilchen, welche die Erde erreichen, wie etwa Neutrinos, Photonen und Kerne, von sogenannten "kosmischen Beschleunigern", z.B. Supernova-Explosionen, ausgesandt werden. Bei der Erklärung, wie die Teilchen auf ihre hohen Energien beschleunigt und produziert werden, kann nun auf die Ergebnisse der klassischen Teilchen- und Hochenergiephysik zurückgegriffen werden.

Die unterschiedlichen Entwicklungsphasen der Astroteilchenphysik sind recht ungewöhnlich für eine naturwissenschaftliche Disziplin, so daß es gewagt wäre eine Prognose für zukünftige Entwicklungen zu geben. Denkbar wäre allerdings, daß sich weitere Teilaspekte der Physik, die sich über die Zeit herausgebildet haben, wieder vereinen werden. Diese Aspekte der Vereinheitlichung machen die Astroteilchenphysik auch zu einem interessanten Forschungsgebiet für Wissenschaftstheoretiker und Philosophen die sich mit Fragen der Einheit und Fragmentierung der Wissenschaften, insbesondere der Physik, auseinandersetzen.