Ausschnitt der Sonnenoberfläche

Verschwundene Neutrinos

Als Wissenschaftler Neutrinos aus der Sonne zählten, zeigten sich weit weniger, als sie erwartet hatten. Die Teilchen entwischten, weil sie sich ineinander umwandeln.

Anderthalb Kilometer tief unter die Erde stiegen Wissenschaftler in den 1960er Jahren hinab, um Vorgänge in der Sonne zu untersuchen. Dort, abgeschieden und befreit von äußeren Störeinflüssen, begannen sie, Neutrinos zu zählen. Damit wollten sie überprüfen, ob sie die Prozesse in der Sonne richtig verstanden hatten. Diese werden im so genannten Standard-Sonnenmodell beschrieben, das nicht nur erklärt, wie unser Planet mit Energie und Licht versorgt wird, sondern zudem recht genaue Angaben darüber macht, wie viele Neutrinos mit welcher Energie dabei entstehen.

Die brodelnde orange-gelbe Oberfläche der Sonne.
Die Sonne: Quelle unzähliger Neutrinos

Diese nicht ganz leichte Aufgabe übernahm ein Team um den Physiker Raymond Davis. Dazu ließen die Wissenschaftler in der ehemaligen Homestake-Goldmine in South Dakota einen Tank mit 615 Tonnen des Reinigungsmittels Tetrachlorethylen füllen. Ausschau hielten die Forscher nach radioaktiven Argon-Atomen, die entstehen können, wenn Neutrinos von der Sonne auf die Chloratom-Kerne des Reinigungs mittels treffen. Dies geschieht überaus selten. Da aber in jeder Sekunde 65 Milliarden Neutrinos pro Quadratzentimeter von der Sonne auf der Erde ankommen, erwarteten die Forscher, dass sich pro Monat rund zehn dieser Argonatome im Tank ansammeln. Diese galt es, bevor sie nach im Mittel 38 Tagen wieder zerfallen, unter 2000 Milliarden Milliarden Milliarden Chloratomen zu finden. Das entspricht der Suche nach einer Stecknadel auf einer Fläche, die so groß ist wie diejenige, die von der Erde bei ihrem Umlauf um die Sonne umkreist wird. Doch das Experiment gelang und lief von den späten 1960er Jahren bis zum Jahr 1994.

Diagramm, das die Zahl der vermissten Neutrinos darstellt. Homestake: minus 68 Prozent, Super-Kamiokande: minus 59 Prozent, SAGE: minus 47 Prozent, Gallex: minus 45 Prozent
Neutrinoschwund in Zahlen

Mit dem Ergebnis von Homestake hatte jedoch niemand gerechnet. Denn es gaben sich nur etwa ein Drittel der erwarteten Neutrinos zu erkennen; Fehlanzeige für den Rest. Die Forscher gingen auf Ursachensuche für die enorme Diskrepanz: Funktionierte die Nachweismethode nicht richtig? Hatte man die Prozesse in der Sonne falsch verstanden? Oder passiert etwas mit den Teilchen auf ihrem Weg zur Erde? Die experimentelle Zählmethode wurde gründlich überprüft und immer präziser. Auch das theoretische Modell der Prozesse in der Sonne wurde gründlich untersucht. Hätte es die Temperatur im Sonneninneren nur um fünfzig Prozent überschätzt, wäre wegen der sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagierenden Neutrinoerzeugung die Diskrepanz erklärbar. Doch die in anderen Bereichen vortrefflichen Ergebnisse des Sonnenmodells deuteten darauf hin, dass es die Temperatur im Inneren der Sonne auf besser als zehn Prozent genau beschrieb. Die Diskrepanz in der Rate der beobachteten Sonnenneutrinos blieb und brauchte damit einen Namen: das Sonnenneutrino-Problem.

Und es wurde nicht besser. 1989 bestätigte eine japanisch-amerkanische Forschergruppe um Masatoshi Koshiba am Kamiokande-Experiment in Japan den Neutrinoschwund. Bei diesem Experiment kam ein riesiger Tank mit reinem Wasser zum Einsatz, in dem Neutrinos Elektronen erzeugen können, die über Lichtblitze nachgewiesen werden. Auch das Kamiokande-Experiment und sein Nachfolger Super-Kamiokande mussten vermelden: Neutrinos über Bord! In Japan fehlte etwas über die Hälfte der erwarteten Teilchen.

In den 1990er Jahren hatten sich zwei weitere Experimente aufgemacht, Sonnenneutrinos zu zählen: das deutsch-italienische GALLEX-Experiment, das tief unter dem italienischen Gran-Sasso-Massiv liegt, und das russisch-amerikanische SAGE-Experiment in einem Bergstollen im Kaukasus. Beide Experimente konzentrierten sich auf Neutrinos in einem anderen Energiebereich und kamen dort ebenfalls nur auf etwas mehr als die Hälfte der vorhergesagten Mengen. Damit stand fest: An den Experimenten hier auf Erden konnte das Fehlen der Neutrinos nicht liegen und Raymond Davis sowie Masatoshi Koshiba durften sich 2002 über einen Nobelpreis für ihre Entdeckungen freuen.

Angabe der Position der im Artikel erwähnten Neutrinozählexperimente auf einer Weltkarte. NORDAMERIKA: Homestake (1968-1994), Sudbury Neutrino Observatory (1999-2006), Minos (seit 2005). EUROPA: GALLEX (1991-1997) Opera (seit 2006), Double-Chooz (seit 2009). KAUKASUS: SAGE (1990-1993). JAPAN: Kamiokande / Super-Kamiokande (seit 1987), Kamland (seit 2001)
Neutrinozählexperimente

Kurz vor der Nobelentscheidung, im April 2002, hatten Forscher am kanadischen Sudbury Neutrino Observatory (SNO) ihre ersten Ergebnisse bekannt gegeben, die neues Licht auf die Ursache des Sonnenneutrino-Problems warfen. In diesem Experiment – ebenfalls tief unter der Erde – kommen tausend Tonnen schweren Wassers zum Einsatz (bei schwerem Wasser sind die beiden Wasserstoffatome durch eine Form des Wasserstoffs mit einem zusätzlichen Neutron ersetzt). Aber anders als die vorherigen Experimente, die nur so genannte Elektron-Neutrinos zählten, erweitere man in Sudbury das Zählprogramm auf alle drei Neutrinotypen (Elektron-, Myon- und Tauneutrinos). Mit Erfolg. Denn es stellte sich heraus, dass die Gesamtzahl der Sonnen-Neutrinos mit der Zahl übereinstimmte, welche die theoretischen Berechnungen ergaben. Ein Drittel davon kamen als Elektron-Neutrinos an, aber zwei Drittel mussten andere Typen sein.

So lag der Schluss nahe lag, dass sich die im Inneren der Sonne entstehenden Elektron-Neutrinos auf dem Weg durch die Sonne und zur Erde in die anderen Neutrino-Sorten umwandeln.

Ursachen für den massiven Neutrinoschwund

Ob Homestake, Gallex, SAGE oder (Super-)Kamiokande – alle Experimente hatten gezeigt, dass Elektron-Neutrinos auf der Strecke bleiben, wenn man sie sich selbst überlässt. Keines der Experimente hatte jedoch nachgewiesen, was mit den Teilchen geschieht.

Es sind drei „Schwebungskurven“ zu sehen. Die Wahrscheinlichkeiten für Myon- und Tau-Neutrinos schwingen mit hoher Frequenz, die Wahrscheinlichkeit für ein Elektron-Neutrino mit weit geringerer Frequenz.
Neutrino-Oszillation

Ein Erklärungsansatz, den Bruno Pontecorvo und Vladimir Naumovich Gribov schon unmittelbar nach den ersten Ergebnissen des Homestake-Experiments im Jahr 1969 vorschlugen, erschien den meisten Teilchenphysikern zunächst zu exotisch: Entsprechend einer Idee der japanischen Physiker Ziro Maki, Masami Nakagawa und Shoichi Sakata sollten sich verschiedene Neutrinoarten ineinander umwandeln können. Die Ergebnisse von SNO waren nun der erste Hinweis, dass tatsächlich keine Neutrinos verloren gehen, sondern diese so genannten Neutrino-Oszillationen vorliegen könnten.

Bei der Neutrino-Oszillation handelt es sich um ein quantentheoretisches Phänomen, bei dem sich etwas in regelmäßigen Abständen als Elektron-Neutrino oder Tau-Neutrino entpuppen kann, das zunächst als Myon-Neutrino erzeugt wurde (und umgekehrt).

Mit dieser Idee lassen sich alle experimentellen Neutrinoschwund-Befunde erklären. Wenn man beispielsweise beim Nachweis von Sonnenneutrinos im Labor, die zu hundert Prozent als Elektron-Neutrinos entstehen, nur für Elektron-Neutrinos empfindlich ist, so bleiben die Myon- und Tau-Neutrinos außen vor, in die sich die ursprünglichen Teilchen umgewandelt haben können. Auch Ergebnisse mit künstlich erzeugten Neutrinos ergeben auf diese Weise Sinn.

Es dauerte jedoch noch bis zum Jahr 2004, bis sich das erste Mal tatsächlich Oszillationen, also das Verschwinden und Wieder-Auftauchen derselben Neutrinosorte am Experiment KamLAND in Japan abzeichneten. Mit den bis 2008 aufgenommenen Daten konnte dieses Experiment, das an derselben Stelle wie der ursprüngliche Kamiokande-Detektor die Elektron-Antineutrinos von 53 umliegenden japanischen Kernkraftwerken misst, die Oszillationen auf eindrucksvolle Weise unzweifelhaft nachweisen.

Ein Diagramm auf dem Datenpunkte recht genau mit einer blauen Linie zusammenfallen, die zwei Maxima hat.
Neutrino-Oszillation bei KamLAND

Bei OPERA wurde 2010 zum ersten Mal ein Tau-Neutrino in einem Teilchenstrahl gesichtet, das ursprünglich nur aus Myon-Neutrinos bestand. Diese Myon-Neutrinos werden dazu eigens bei CERN in der Nähe von Genf erzeugt und auf eine 732 Kilometer lange Reise zum unterirdischen Physiklabor LNGS in Italien geschickt. Dieses Labor befindet sich 120 Kilometer östlich von Rom und wird seit 1987 von internationalen Forschergruppen genutzt. Unter dem Gran-Sasso-Massiv wird in einem gewaltigen Detektor nachgewiesen, ob sich in dem zunächst reinen Myon-Neutrino-Strahl Tau-Neutrinos befinden. Die Datennahme begann im Sommer 2006. Ende Mai 2010 gab die Gruppe die Sichtung eines Tau-Neutrinos bekannt. Damit wurde zum ersten Mal ein Tau-Neutrino beobachtet, das 732 Kilometer zuvor noch ein Myon-Neutrino war.  

Neutrinowaagen

Über die Neutrino-Oszillation ließ sich den Neutrinos ein weiteres Geheimnis entlocken. Das Phänomen ist nämlich nur möglich, wenn die Teilchen unterschiedliche Massen besitzen. Die Massen der Neutrinos sind so gering, dass bisher selbst die genauesten Messungen von Stößen von Neutrinos mit anderen Teilchen keinen Unterschied zur Masse Null ausmachen konnten. Im Standardmodell der Teilchenphysik wurden die Neutrinos daher auch als masselos angenommen. Nach der Entdeckung der Neutrino-Oszillation ist jedoch Schluss mit dieser Leichtigkeit des Neutrino-Seins.

Die Neutrino-Oszillation beweist, dass die drei Neutrinotypen unterschiedliche und damit von Null verschiedene Massen besitzen. Weitere Experimente (wie zum Beispiel KATRIN oder GERDA) könnten es möglich machen, schließlich die genauen Werte der Neutrinomasse zu bestimmen, während man bisher nur ihre Differenzen kennt.

Forscher sind heute also bei weitem nicht mehr darüber verdutzt, dass ihnen einzelne Neutrinotypen entgehen. Sie nutzen das Phänomen mittlerweile als Neutrinowaage.

 

Übersichtstabelle – Neutrinoexperimente

Name

Datennahme

Untersuchte Neutrinos

Ort

Deutsche Beteiligung

Homestake

1968-1994

Elektron-Neutrinos von der Sonne

USA

Kamiokande

1987-1996

Elektron-Neutrinos von der Sonne, atmosphärische Neutrinos

Japan

SAGE

1990-

Elektron-Neutrinos von der Sonne

Russland

GALLEX/GNO

1990-2003

Elektron-Neutrinos von der Sonne

Italien

x

Super-Kamiokande

1996-

Elektron-Neutrinos von der Sonne, atmosphärische Neutrinos

Japan

SNO

1999-2006

Elektron-Neutrinos von der Sonne

Kanada

x

KAMLAND

2001-

Elektron-Neutrinos aus Kernreaktor

Japan

MINOS

2005-

Künstlich erzeugte Mu-Neutrinos

USA

OPERA

2006-

Künstlich erzeugte Mu-Neutrinos

Schweiz/Italien

x

BOREXINO

2007- 

Elektron-Neutrinos von der Sonne

Italien

x

Double-Chooz

2010-

Elektron-Neutrinos aus Kernreaktor

Frankreich

x

T2K

2010-

Künstlich erzeugte Mu-Neutrinos

Japan

x