Gesundheit: Geister mit Masse

Von Bernd Schöne

Es ist fast wie im Zaubertheater. Das schwarze Tuch wird gelüftet, zum Vorschein kommt ein Neutrino, eines der geheimnisvollsten Elementarteilchen der physikalischen Welt. „Doch, es hat eine Masse“, sagten „Zauberer“ aus Kanada und Japan auf der Konferenz „Neutrino 2002“. Sechs Tage lang diskutierten in München Wissenschaftler aus aller Welt über Teilchen, von dem man lange Zeit nur eines sicher wusste: sie mussten existieren.

Ein weiteres Rätsel scheint mittlerweile gelöst. Theoretische Physiker glauben den Grund gefunden zu haben, warum wir alle aus Materie und nicht aus Antimaterie bestehen: als einzige Elementarteilchen halten sich Neutrinos nicht an das Symmetrieprinzip der Welt.

„Erfunden“ wurden die Neutrinos vor 72 Jahren aus schierer Verzweiflung. Bei Experimenten mit Elektronen fehlte den Physikern ein bislang unbekanntes Teilchen, damit ihre sonst tadellos funktionierenden Gleichungen aufgingen. Der geniale Physiker Wolfgang Pauli ersann daraufhin das Neutrino. Fast zwei Jahrzehnte existierten die Teilchen nur auf dem Papier, dann gelang es erstmals, zumindest ihre Existenz zu beweisen. Nähere Details blieben allerdings unbekannt. Dabei sind Neutrinos, soviel weiß man inzwischen sicher, schier überall.

Überreste des Urknalls

„Jeden Augenblick durchfluten 100 Milliarden Neutrinos einen menschlichen Körper“, sagt der österreichische Physiker Friederich Dydak, der am Genfer Forschungszentrum CERN arbeitet. Sogar vom Urknall sind noch genügend Neutrinos im Weltall, pro Kubikzentimeter immerhin noch 330.

Überall wo sich Teilchen umwandeln oder kollidieren, entstehen Neutrinos, also etwa in der Sonne, in Atomkraftwerken oder in Teilchenbeschleunigern. Schädlich ist das alles für den Körper nicht. Denn Neutrinos reagieren so gut wie gar nicht auf andere Materie. Selbst durch den dicksten Eisenblock gehen sie unbeschadet hindurch, und auch einen kompletten Planeten wie die Erde durchdringen sie mühelos.

Für die Wissenschaftler bedeutet dies eine enorme Herausforderung. Die Physiker arbeiten bei Neutrinos somit unter erschwerten Bedingungen. Da sie fast alles mühelos durchdringen, lassen sie sich nur sehr selten beobachten. Nur bei einer enorm großen Masse besteht überhaupt eine Chance, das sich eines der scheuen Teilchen darin „verfängt“, oder wie die Physiker sagen, es zu einer Wechselwirkung kommt. Große Beobachtungsapparaturen bestehen aus einem Becken mit Tausenden Tonnen Wasser, sowie vielen lichtempfindlichen Messinstrumenten, die auf verräterische Lichtblitze warten. Trotz des Aufwandes macht es aber nur einige tausend Mal pro Jahr „klick“.

Jahrzehntelang war umstritten, ob die Neutrinos überhaupt eine Masse besitzen oder nicht. „Jüngste Forschungen grenzen die Masse von Neutrinos auf etwas weniger als ein Elektronenvolt ein“, sagt Manfred Lindner, Professor für Theoretische Physik an der TU München. Damit sind Neutrinos rund 500 000 mal leichter als Elektronen, und schon die gelten im Vergleich zu Atomkernen als absolute Fliegengewichte. Die Angabe in Elektronenvolt ist bei Teilchenphysikern üblich, sie bezieht sich auf das Energieäquivalent jeder Masse. Eine Angabe in Gramm wäre in den hier betrachteten, subatomaren Welten auch wenig sinnvoll. Trotz ihrer minimalen Masse tragen die Neutrinos aufgrund ihrer gigantischen Zahl viel zur Gesamtmasse des Universums bei.

Im Zentrum des Interesses stand aber eine andere, erstaunliche Tatsache. Erstmals wurde sicher beobachtet, dass Neutrinos oszillieren. Dies berichteten Art McDonald aus Kanada und Yoji Totsuka aus Japan. Während die Kanadier mit Sonnenneutrinos forschen und sie im Tag-Nacht Rhythmus der Erde beobachten, studieren die Japaner den Neutrino-Ausstoß der umliegenden Atomkraftwerke. Beide Resultate stimmen überein. Neutrinos wandeln sich demnach ineinander um. Schon auf dem relativ kurzen Flugweg von der Sonne zur Erde haben sich 50 Prozent der Sonnen-Neutrinos in eine der beiden anderen Formen, „Myon“- oder „Tau“- Neutrinos verwandelt.

Lange Zeit narrten diese „vermissten“ Neutrinos die Theoretiker. Jetzt sei klar, so Professor Manfred Lindner, dass Neutrinos wegen ihres extrem geringen Gewichtes als einzige Materieteilchen selbst in astrophysikalischen Dimensionen Quanteneigenschaften zeigen. Die drei Neutrino Arten entstehen durch „Mischung“ interner Eigenschaften. Sie können ihre Gestalt deshalb verändern. Ihre Umwandlung hat deshalb auch nichts mit radioaktivem Zerfall zu tun, sondern ähnelt vielmehr dem klassischen „Doppelspalt“ der Quantenmechanik. Auch hier mischen sich verschiedene Zustände und ergeben eine Physik, die nach klassischen Maßstäben ausgeschlossen ist. Die Kombination von Masse und Mischung hat die Theoretiker elektrisiert, denn ähnlich wie bei den Quarks könnte dies ein Hinweis auf eine Verletzung der Symmetrie sei. Dies wiederum interessiert eine Disziplin, die mit viel größeren Massen und Entfernungen zu tun hat, und daher mit subatomaren Teilchen zunächst nicht in Verbindung gebracht wird: die Astrophysiker.

Seit langem quält die Weltraum-Forscher eine simple Frage: warum existieren wir eigentlich? Rein theoretisch herrscht zwischen Materie und Antimaterie eine strenge Symmetrie. Der gesamte Kosmos, den wir kennen, besteht aber aus Materie, und nicht aus Antimaterie. Der Grund dafür könnte eine Verletzung der Weltsymmetrie durch Neutrinos sein. Das ganz Kleine gibt somit einen Hinweis auf das ganz Große.

Haben also Neutrinos entschieden, dass wir aus Materie und nicht aus Antimaterie bestehen? Um das zu beantworten brauchen die Neutrino-Forscher mehr als nur einige Klicks pro Tag. Sie benötigen mindestens etwa 100 000 Ereignisse im selben Zeitraum. Auch wollen sie nicht natürliche Neutrinos untersuchen, sondern solche mit wohl bekannten Eigenschaften aus einem Beschleuniger.

Neutrino-Fabrik in Genf

„Wir brauchen Präzisionsexperimente an einem Beschleuniger“, so Michael Altmann, einer der wissenschaftlichen Leiter der Münchner Tagung, „nur so können wir die Symmetrieverletzung der Neutrinos bei ihren Oszillationen genau untersuchen“. Im Genfer CERN soll dazu eine Neutrino-Fabrik entstehen. Hochbeschleunigte Atomkerne sollen hier auf gekühltes Quecksilber aufschlagen und dabei einen wahren Neutrino Orkan erzeugen. Rund 700 Kilometer entfernt, im Gran Sasso Massiv unweit von Rom entsteht der dazu passende Detektor.

Der lange Flugweg ist nötig, damit sich die Mischung der drei Neutrinozustände auch ausprägen kann, denn die braucht Zeit. Die Tausende Tonnen Granit über dem italienischen Messort sind ein Schutz vor kosmischen Störstrahlen.

Doch die Quelle wird wohl noch auf sich warten lassen, und damit auch die Antwort auf etliche Fragezeichen bei den Neutrinos, denn die zwei Milliarden Dollar für die Neutrino-Fabrik fließen nur zögerlich. Erst 2015 soll alles fertig sein. Vielleicht aber auch erst 2020, so genau weiß das zur Zeit niemand. Ein unerwarteter Grundwassereinbruch an der Baustelle in Genf hat die Apparatur jüngst erneut verteuert.

Infos im Internet:

http://neutrino2002.ph.tum.de (Konferenz München)

http://www.sno.phy.queensu.ca

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