Geschichte des Neutrinos: Das Geisterteilchen | ABC-Z

Unter den bekannten Elementarteilchen ist das Neu­trino vielleicht das seltsamste. Es hat keine elek­trische Ladung und nur eine winzige Masse. Zudem wechselwirkt es nur äußerst schwach mit Materie. So spüren wir gar nichts von den etwa 70 Mil­liarden von der Sonne kommenden Neu­trinos, die jede Sekunde durch jeden Qua­dratzentimeter unseres Körpers hin­durch­rasen. Dies hat aber den Vorteil, dass das Neutrino uns wertvolle Infor­mationen aus kosmischen Entfernungen übermittelt, die es ohne nennenswerte Ab­lenkung überwinden kann.

Christian Spiering erzählt in seinem spannend und verständlich geschriebenen, aber dennoch wissenschaftlich exakten Werk die ereignisreiche Geschichte dieses Teilchens. Als international erfolgreicher Wissenschaftler auf dem Gebiet der Neutrinoastronomie und insbeson­dere durch seine wichtige Rolle beim IceCube-Experiment am Südpol zum Nachweis kosmischer Neutrinos ist er geradezu prädestiniert dafür.

Der Autor verknüpft seine Schilderung mit sieben Lebensläufen, die eng mit der Erforschung des Neutrinos verbunden sind. Am Anfang stehen Lise Meitner und Wolfgang Pauli, eine Experimentatorin und ein Theoretiker, deren Arbeiten vor etwa hundert Jahren wegweisend gewesen sind. Lise Meitner, aus Wien stammend und in Berlin mit Otto Hahn forschend, widmete sich der Beta-Strahlung. Das sind Elektronen, die als radioaktive Strahlung etwa von Uran emittiert werden. Das gemessene Spektrum (die Energieverteilung der Elektronen) stellte die Forscher allerdings vor Probleme: Es schien, als ob der Satz von der Erhaltung der Energie, einer der Grundpfeiler der Physik, verletzt wäre. Aber konnte das wirklich der Fall sein?

Hier betritt Wolfgang Pauli die Bühne, der ebenfalls aus Wien stammte und an der ETH Zürich forschte. Pauli ist einer der Pioniere der Quantentheorie und sollte für sein in den Zwanzigerjahren auf­gestelltes Ausschließungsprinzip später den Nobelpreis erhalten. Im Jahr 1930 for­mulierte er seine Neutrinohypothese – er postulierte die Existenz eines bis dahin unbeobachteten Teilchens, dessen Funktion darin besteht, den Energiesatz beim Beta-Spektrum zu retten. Seine Hypo­these teilte Pauli in einem inzwischen legendären offenen Brief der „Gruppe der Radioaktiven“ mit, Physiker, die sich auf einer Tagung in Tübingen trafen. Pauli schloss seinen Brief mit den Worten: „Leider kann ich nicht persönlich in Tübingen erscheinen, da ich infolge eines in der Nacht vom 6. zum 7. Dezember in Zürich stattfindenden Balles hier unabkömmlich bin.“

Heutzutage werden hypothetische neue Teilchen ohne Scheu postuliert. Zu Paulis Zeit war das anders. Man kannte nur drei Teilchen: Proton, Elektron und Photon. Es erforderte einigen Wagemut, diesen drei ein neues, noch unbekanntes Teilchen hinzuzufügen. Wegen der fehlenden elektrischen Ladung nannte Pauli sein Teilchen „Neutron“. Das heute unter diesem Namen bekannte Teilchen, das zusammen mit den Protonen die Atomkerne aufbaut, wurde erst 1932 empirisch entdeckt; aus diesem Grund wurde Paulis Teilchen, das wesentlich leichter als das Neutron sein sollte, einem Vorschlag des italienischen Physikers Enrico Fermi folgend in Neutrino, „kleines Neutron“, umbenannt.

Paulis Wagemut hatte vielleicht auch private Gründe, wie er viel später in ei­nem Brief an Max Delbrück über das Neutrino beschrieb: „Die Geschichte dieses närrischen Kindes meiner Lebenskrise (1930/31) – das sich auch weiter recht närrisch aufgeführt hat – beginnt ja mit jenen heftigen Diskussionen zwischen ihr [Lise Meitner] und Ellis [ein englischer Physiker] über das kontinuierliche Beta-Spektrum, die gleich mein Interesse geweckt haben.“ Pauli hatte in Berlin nicht nur Lise Meitner aufgesucht, sondern sich auch mit seiner späteren Frau getroffen, von der er sich aber bereits 1930 wieder scheiden ließ, eine Woche vor dem erwähnten Brief.

Das Neutrino hatte sich in der Tat weiter recht närrisch aufgeführt. Sein Nachweis gestaltete sich äußerst schwierig und gelang erst, nachdem in den Fünfzi­gerjahren Kernreaktoren zur Verfügung standen, die eine ausreichend starke Neu­trinoquelle darstellen. Seine Entdeckung erfolgte 1956 durch die US-amerikanischen Physiker Fred Reines und Clyde Cowan.

Wie sich später herausstellte, gibt es nicht nur eine, sondern drei Arten von Neutrinos. Das von Pauli postulierte und zuerst entdeckte Neutrino ist quasi ein Partner des Elektrons und heißt deshalb Elektronneutrino. Die beiden anderen Neu­trinoarten gesellen sich zu schwereren Versionen des Elektrons, dem Myon und dem Tauon, und heißen deshalb My- und Tauneutrino; sie wurden 1962 beziehungsweise 2000 entdeckt. Dass es keine weiteren Arten geben kann, weiß man insbesondere aus der Physik des frühen Universums, da ansonsten die Bildung der leichten Atomkerne in den ersten drei Minuten nach dem Urknall nicht in Einklang mit astronomischen Beobachtungen stünde.

Die meisten extraterrestrischen Neu­trinos, die man beobachten kann, stammen von der Sonne. Dabei bestand jahrzehntelang das Problem, dass man auf der Erde viel weniger Neutrinos beobachtete als erwartet. Eine Lösung fand dieses Problem erst, nachdem man festgestellt hatte, dass Neutrinos nicht wie zunächst erwartet masselos sind, sondern eine, wenn auch winzige Masse besitzen. Ein Effekt der Quantentheorie erlaubt so­genannte Neutrino-Oszillationen, die pe­riodische Umwandlung der Neutrino­arten ineinander: Die in der Sonne erzeugten Elektronneutrinos kommen also nicht alle als solche an – einige haben sich unterwegs in My- und Tauneutrinos verwandelt, die in den entsprechenden Ex­pe­rimenten nicht registriert werden können.

Den wichtigsten Forschern am Sonnenneutrinopro­blem, den US-amerikanischen Physikern Raymond Davis und John Bahcall sowie dem japanischen Physiker Masatoshi Koshiba, sind zwei Kapitel gewidmet. Koshiba hat mit dem japanischen Detektor Kamiokande einen weiteren wichtigen Beitrag zur Neutrinoastronomie geleistet. So konnten dort 1987 elf Neu­trinos nachgewiesen werden, die aus der in jenem Jahr beobachteten Supernova in der Großen Magellanschen Wolke stammen – die ersten Neutrinos von außerhalb des Sonnensystems. Supernovae können aus kollabierenden Sternen entstehen, wobei 99 % der Energie von Neutrinos abtransportiert werden.

Da bei solchen Explosionen auch die für unsere Existenz wichtigen schweren Atomkerne ausgestoßen werden, gehören die Neutrinos quasi zu unseren Geburtshelfern. Viel später konnten beim IceCube-Experiment am Südpol unter Beteiligung Spierings weitere Neutrinos von jenseits unseres Sonnensystems registriert werden – im Jahr 2017 gelang gar die Zuordnung eines beobachteten Neutrinos zu einer bekannten Quelle, einer etwa vier Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie.

Mit viel Herzblut schildert der Autor in einem eigenen Kapitel die Lebensgeschichte der vielleicht schillerndsten Figur bei der Erforschung des Neutrinos. Es handelt sich um den Italiener Bruno Pontecorvo, der „dreimal keinen Nobelpreis“ erhalten hat, obwohl er als Erster viele Entwicklungen angestoßen hat. Vielleicht lag es daran, dass Pontecorvo als überzeugter Kommunist 1950 bei Nacht und Nebel in die Sowjetunion überge­siedelt ist, wo wesentliche Arbeiten am Forschungsinstitut in Dubna, dem östlichen Gegenstück zum Forschungszen­trum Cern in Genf, entstehen sollten.

Trotz dieser Fortschritte sind beileibe nicht alle Rätsel um die Neutrinos gelöst. Sie spielen vermutlich eine wichtige Rolle bei der noch ausstehenden Vereinheitlichung aller Wechselwirkungen. Paulis närrisches Kind wird wohl auch in Zukunft für Überraschungen gut sein.

Christian Spiering: „Das seltsamste Teilchen der Welt“. Auf der Jagd nach dem Neutrino. Hanser Verlag, München 2025. 336 S., geb., 28,– €.