Tscherenkow-Strahlung

Die Tscherenkow-Strahlung ist das bläuliche Leuchten, das entsteht, wenn ein geladenes Teilchen ein durchsichtiges Medium schneller durchquert, als sich Licht darin ausbreitet. Sie ist das Nachweisprinzip von Super-Kamiokande, IceCube, KM3NeT und dem Sudbury Neutrino Observatory.

Schneller als das Licht — aber nicht schneller als c

Der Satz klingt nach Widerspruch und ist keiner. Unüberschreitbar ist allein die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. In Wasser bewegt sich Licht nur mit etwa drei Vierteln davon, weil es ständig von den Molekülen aufgenommen und wieder abgegeben wird.

Ein Elektron dagegen wird davon nicht gebremst. Es kann also durchaus schneller sein als das Licht im Wasser — ohne die Relativitätstheorie zu verletzen.

Das Bild der Bugwelle

Was dann geschieht, kennt man vom Wasser und von der Luft.

Ein Schiff, das langsamer fährt als seine eigenen Wellen, schiebt eine Rundwelle vor sich her. Fährt es schneller, bleiben die Wellen zurück und überlagern sich zu einer keilförmigen Bugwelle. Bei einem Überschallflugzeug heißt dasselbe Phänomen Mach-Kegel.

Beim geladenen Teilchen im Wasser ist es die elektromagnetische Entsprechung: ein Lichtkegel, der dem Teilchen folgt.

Der Öffnungswinkel dieses Kegels hängt allein von der Geschwindigkeit ab. Aus ihm lässt sich also ablesen, wie schnell das Teilchen war — und in Wasser gibt es eine scharfe Schwelle: Unterhalb von etwa drei Vierteln der Vakuumlichtgeschwindigkeit entsteht überhaupt kein Kegel.

Warum es blau leuchtet

Die Strahlung verteilt sich nicht gleichmäßig über die Farben. Ihre Intensität wächst zum kurzwelligen Ende hin — je blauer, desto mehr.

Deshalb erscheint das Leuchten in Reaktorbecken tiefblau. Wer je ein Foto eines Forschungsreaktors gesehen hat, kennt diese Farbe: Sie stammt von Elektronen aus dem Zerfall der Spaltprodukte, die das Kühlwasser schneller durchqueren als das Licht darin.

Was ein Detektor daraus liest

Auf der Wand eines Wassertanks zeichnet der Kegel einen Ring. Aus ihm lassen sich drei Dinge ablesen:

Die Richtung. Die Lage des Rings zeigt, woher das Teilchen kam — und damit, aus welcher Richtung das Neutrino eintraf. Genau das erlaubte Masatoshi Koshiba, erstmals nachzuweisen, dass die gemessenen Neutrinos tatsächlich von der Sonne kommen.

Die Energie. Je heller der Ring, desto energiereicher das Teilchen.

Die Teilchenart. Hier liegt der entscheidende Punkt. Ein Elektron wird im Wasser abgelenkt und erzeugt einen kleinen Schauer; sein Ring ist verwaschen. Ein Myon läuft nahezu geradeaus; sein Ring ist scharf umrissen.

Auf dieser Unterscheidung beruht die Entdeckung von Takaaki Kajita aus dem Jahr 1998. Er konnte nur deshalb zeigen, dass Myon-Neutrinos fehlen und Elektron-Neutrinos nicht, weil der Detektor beide auseinanderhalten konnte.

Die Grenze des Verfahrens

Der Nachteil ist die Ausbeute. Ein Wasserdetektor gewinnt je Megaelektronenvolt nur einige hundert Photonen; ein Szintillator liefert rund zehntausend.

Daraus folgt eine höhere Nachweisschwelle. Neutrinos niedriger Energie — etwa jene aus der Hauptreaktion der Sonne — bleiben für einen Wasserdetektor unsichtbar. Dafür braucht es Anlagen wie Borexino.

Die beiden Verfahren ergänzen sich also: Wasser liefert Richtung und große Volumina, Szintillator liefert Empfindlichkeit.

Entdeckung

Pawel Tscherenkow beobachtete das Leuchten 1934 in Moskau. Ilja Frank und Igor Tamm erklärten es 1937 theoretisch. Alle drei erhielten 1958 gemeinsam den Nobelpreis für Physik.

Quellen

P. A. Tscherenkow: Visible emission of clean liquids by action of γ radiation, Doklady Akademii Nauk SSSR 2, 451 (1934).
Nobelstiftung: Nobelpreis für Physik 1958.