Arthur B. McDonald

Arthur Bruce McDonald (* 29. August 1943 in Sydney, Nova Scotia) ist ein kanadischer Physiker. Er leitete das Sudbury Neutrino Observatory, das 2001 und 2002 die Frage entschied, wohin die fehlenden Sonnenneutrinos verschwinden. 2015 erhielt er gemeinsam mit Takaaki Kajita den Nobelpreis für Physik.

Werdegang

McDonald wuchs auf Cape Breton Island auf und studierte an der Dalhousie University in Halifax. 1969 wurde er am California Institute of Technology promoviert. Nach Jahren am kanadischen Kernforschungszentrum Chalk River und einer Professur in Princeton kehrte er 1989 nach Kanada zurück, an die Queen's University in Kingston, Ontario.

Im selben Jahr übernahm er die Leitung des Vorhabens, das ihn bekannt machen sollte.

Das Problem, das dreißig Jahre offen war

Seit Raymond Davis ab 1968 Ergebnisse aus dem Homestake-Experiment vorlegte, stand eine Zahl im Raum, die niemand erklären konnte: Nur etwa ein Drittel der von John Bahcall berechneten Sonnenneutrinos kam an.

Für dieses solare Neutrinoproblem gab es zwei Erklärungen. Entweder war das Sonnenmodell falsch — dann hätten die Astrophysiker etwas Grundlegendes übersehen. Oder die Neutrinos veränderten sich unterwegs — dann hätten die Teilchenphysiker etwas übersehen.

Kein Experiment konnte zwischen beidem unterscheiden. Alle bisherigen Detektoren sprachen nämlich nur auf Elektron-Neutrinos an, also auf jene Art, die die Sonne erzeugt. Verwandelten sich die Teilchen unterwegs in eine andere Art, so sahen die Detektoren dasselbe wie bei einer schwächeren Sonne: weniger Ereignisse. Die Ursache blieb verborgen.

Der Einfall: schweres Wasser

McDonalds Anlage löste das mit einem Kunstgriff, der auf einem kanadischen Sonderweg beruhte. Kanada betreibt Kernkraftwerke vom Typ CANDU, die mit schwerem Wasser arbeiten. Davon ließen sich 1.000 Tonnen leihen — im Wert von mehreren hundert Millionen Dollar.

Schweres Wasser enthält Deuterium, und Deuterium reagiert auf zwei verschiedene Weisen mit Neutrinos:

Über den geladenen Strom. Nur Elektron-Neutrinos können das Deuteron in zwei Protonen und ein Elektron aufspalten. Diese Reaktion zählt also, wie viele Neutrinos ihre ursprüngliche Art behalten haben.

Über den neutralen Strom. Jede Neutrinoart kann das Deuteron in ein Proton und ein Neutron zerlegen. Diese Reaktion zählt alle Neutrinos, gleich welcher Art.

Der Vergleich beider Zahlen beantwortet die Frage unmittelbar — und zwar ohne dass man das Sonnenmodell überhaupt bemühen müsste. Genau darin liegt die Eleganz des Aufbaus.

Das Ergebnis

Der Detektor lag zwei Kilometer tief in der Creighton-Nickelmine bei Sudbury, Ontario. Der Bau dauerte neun Jahre.

Die Messungen ergaben: Über den geladenen Strom kam etwa ein Drittel der erwarteten Rate — genau das Defizit, das Davis gefunden hatte. Über den neutralen Strom kam die volle Rate.

Damit war beides zugleich gezeigt. Die Sonne sendet genau so viele Neutrinos aus, wie Bahcall berechnet hatte. Und unterwegs wandeln sich zwei Drittel davon in andere Arten um.

Das solare Neutrinoproblem war nach mehr als drei Jahrzehnten gelöst — nicht durch einen Fehler in der Rechnung, sondern durch eine Eigenschaft der Teilchen, die niemand vorausgesetzt hatte.

Warum beide Preisträger nötig waren

Kajita hatte mit atmosphärischen Neutrinos gezeigt, dass Myon-Neutrinos verschwinden. McDonald zeigte mit Sonnenneutrinos, dass Elektron-Neutrinos sich umwandeln und wohin.

Erst zusammen ergeben die beiden Befunde ein geschlossenes Bild: Neutrinos gehen ineinander über, also besitzen sie Masse. Das Standardmodell muss an dieser Stelle erweitert werden.

Die Nobelstiftung würdigte 2015 genau diese Verbindung.

Danach

McDonald ist emeritiert, aber weiterhin aktiv. Aus dem Sudbury-Observatorium wurde das Untergrundlabor SNOLAB, das heute nach dunkler Materie sucht und mit SNO+ den neutrinolosen Doppelbetazerfall untersucht.

Er ist Companion des Order of Canada, der höchsten zivilen Auszeichnung des Landes.

Quellen

SNO-Kollaboration (Q. R. Ahmad u. a.): Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
Nobelstiftung: Nobelpreis für Physik 2015, Begründung und Nobelvortrag Arthur B. McDonald.