Hintergrund 

Nobelpreis für Neutrino- und Röntgenastrophysiker


   R. Davis Jr.       M. Koshiba       R. Giacconi

Von Rainer Scharf

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften verleiht in diesem Jahr den Nobelpreis in Physik zu je einem Viertel an die Neutrinophysiker Raymond Davis Jr. und Masatoshi Koshiba und zur Hälfte an den Röntgenastrophysiker Riccardo Giacconi. Sowohl Davis als auch Koshiba haben entscheidend dazu beigetragen, das Rätsel der fehlenden Sonnenneutrinos zu lösen. Giacconi hat die Röntgenastrophysik begründet und mithilfe von künstlichen Satelliten zahlreiche kosmische Röntgenquellen entdeckt.

Raymond Davis Interesse an Neutrinos, den von Wolfgang Pauli vorhergesagten geisterhaften Teilchen, begann 1948, als er einen Übersichtsartikel las. Damals hielt man die Neutrinos, die unter anderem beim Betazerfall entstehen, für masselos. 1955 konnten Clyde Cowan und Fred Reines sie bei Experimenten mit Kernreaktoren erstmals nachweisen. Doch auch bei der Kernfusion in der Sonne sollten Neutrinos entstehen. Ihr Nachweis war jedoch ungleich schwieriger, da die 10 Milliarden Elektronneutrinos, die pro Sekunde von der Sonne kommend auf jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche treffen, nahezu ungehindert die Erde durchqueren.

Um sie dennoch nachzuweisen, ließ Davis 1967 einen riesigen Tank bauen, der 615 Tonnen Perchlorethylen (C2Cl4) enthielt. Diese Chemikalie wird normalerweise bei der chemischen Reinigung von Kleidungstücken benutzt. Der Tank wurde in 1500 Meter Tiefe in der Homestake Goldmine in Süddakota installiert. Traf eines der Sonnenneutrinos auf ein Chloratom, so konnte es dieses in ein radioaktives Argonatom umwandeln. Alle zwei Monate wurde das entstandene Argon aus dem Tank extrahiert und nachgewiesen. Während der 24 Jahre, die das Experiment ununterbrochen lief, konnten insgesamt 875 (!) Argonzerfälle registriert werden. Dies war deutlich weniger als man erwartet hatte. Nachdem man experimentelle Fehler ausschließen konnte, blieb nur eine Erklärung übrig: Von der Sonne kommen weniger Elektronneutrinos als es die anerkannten Sonnenmodelle vorhersagen.

Erst durch die Arbeit von Masatoshi Koshiba und seinen Mitarbeitern konnte dieses Rätsel der fehlenden Neutrinos gelöst werden. Koshiba, 1926 in Japan geboren, hatte den Detektor Kamiokande entworfen, um einen möglichen Zerfall des Protons nachzuweisen. Kamiokande war ein mit 2000 Tonnen Wasser gefüllter Tank, ebenfalls in einer Mine untergebracht, der die Tscherenkov-Strahlung der beim Protonenzerfall entstehenden Teilchen mit 1100 Photomultiplier-Röhren registrieren sollte. Das von Raymond Davis aufgeworfene Neutrinorätsel brachte Koshiba jedoch auf die Idee, mit dem inzwischen verbesserten Kamiokande II nach Sonnenneutrinos zu suchen. 1986 konnte Koshiba die Ergebnisse von Davis bestätigen: Es fehlten tatsächlich Sonnenneutrinos. Ein Jahr später gelang mit Kamiokande II der erste Nachweis einer kosmischen Neutrinoquelle, der Supernova 1987A. Dies war der Beginn der Neutrinoastronomie.

Mit dem Experiment Super-Kamiokande, das mit 50 000 Tonnen Wasser und mehr als 10 000 Detektorröhren ausgestattet war, ergaben sich dann erste deutliche Hinweise darauf, dass sich die von der Sonne kommenden Elektronneutrinos in andere Neutrinoarten umwandeln, die von Davis Experiment nicht nachgewiesen werden konnten. Kürzlich wurden diese Neutrinooszillationen vom Sudbury Neutrinoobservatorium bestätigt. Damit steht fest: Die verschiedenen Neutrinoarten müssen unterschiedliche Massen besitzen. Die Neutrinos sind also nicht masselos. Diese Tatsache weist über das Standardmodell der Elementarteilchen hinaus.

Mit Riccardo Giacconi (geboren 1931 in Genua) wird ein Physiker geehrt, der zusammen mit seinen inzwischen verstorbenen Kollegen Herbert Friedman und Bruno Rossi die Röntgenastronomie begründet hat. Die von der Sonne oder aus dem Kosmos zur Erde kommenden Röntgenstrahlen werden fast vollständig von der Erdatmosphäre zurückgehalten. Deshalb ist die Röntgenastronomie eng mit der Entwicklung von künstlichen Satelliten verbunden, die mit Röntgendetektoren ausgerüstet sind. 1962 hatten Giacconi und seine Mitarbeiter mit drei gebrauchten Geigerzählern, die sie in einer Rakete untergebracht hatten, die erste extrasolare Röntgenquelle entdeckt. Allerdings ließ sich die Quelle zunächst noch keinem astronomischen Objekt zuordnen.

1970 wurde das von Giacconis Gruppe entwickelte Röntgenobservatorium UHURU von Kenya aus gestartet. Mit einer verbesserten Röntgenoptik ausgestattet gelang es UHURU, hunderte von Röntgenquellen zu entdecken, darunter viele Röntgendoppelsternsysteme. Anschließend leitete Giacconi die Entwicklung und den Bau des Einstein-Röntgenobservatoriums, mit dem sogar ein äußerst schwach strahlender Röntgenquasar beobachtet werden konnte. Auch den Bau des 1999 gestarteten Röntgensatelliten Chandra hat Giacconi mit initiiert. Inzwischen wurden Tausende von Röntgenquellen entdeckt, die zu den interessantesten astrophysikalischen Objekten gehören, wie zum Beispiel X-Ray-Burster und Schwarze Löcher. 

pro-physik.de v. 8.10.2002

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