Cowan-Reines-Experiment
Das Cowan-Reines-Experiment wies 1956 zum ersten Mal ein Neutrino nach — 26 Jahre nachdem Wolfgang Pauli es vorgeschlagen und selbst bezweifelt hatte, dass es je zu finden sei.
Die beteiligten Physiker nannten ihr Vorhaben Project Poltergeist, nach einem Geist, der sich bemerkbar macht, ohne sichtbar zu sein.
Die erste, verworfene Idee
Frederick Reines und Clyde Cowan arbeiteten in Los Alamos. Ihre erste Überlegung war so kühn wie damals naheliegend: Man wollte den Detektor in einen Schacht neben eine Kernwaffenexplosion stellen und im Bruchteil einer Sekunde messen, während der gewaltige Neutrinoblitz vorüberzog.
Der Plan wurde fallengelassen — nicht, weil er undurchführbar war, sondern weil sich ein besserer fand. Ein Kernreaktor liefert Antineutrinos dauerhaft, und Dauerhaftigkeit erlaubt etwas Entscheidendes: Man kann den Reaktor abschalten und denselben Aufbau ohne Signal messen.
Diese Negativkontrolle war am Ende das stärkste Argument des Experiments.
Der Nachweisvorgang
Genutzt wurde der inverse Betazerfall: Ein Antineutrino trifft ein Proton und erzeugt daraus ein Neutron und ein Positron.
Der Kunstgriff lag darin, dass dabei zwei Signale nacheinander entstehen.
Das Positron trifft sofort auf ein Elektron und zerstrahlt. Dabei entstehen zwei Gammaquanten von je 511 Kiloelektronenvolt, die in entgegengesetzte Richtungen fliegen — der erste Blitz.
Das Neutron dagegen wandert einige Mikrosekunden lang umher, bis es von einem Cadmiumkern eingefangen wird. Dieser gibt die Energie ebenfalls als Gammastrahlung ab — der zweite Blitz.
Zwei Blitze im richtigen zeitlichen Abstand, mit den richtigen Energien, an der richtigen Stelle: Diese Signatur ließ sich kaum verwechseln. Sie heißt heute verzögerte Koinzidenz und trägt bis heute jede Reaktormessung, von KamLAND bis JUNO.
Der Aufbau
Nach einem ersten, nicht schlüssigen Versuch am Reaktor Hanford im Jahr 1953 zogen die beiden 1956 an den Reaktor Savannah River in South Carolina — mit besserer Abschirmung und einem größeren Aufbau, zwölf Meter unter der Erde.
Zwischen drei Tanks mit Szintillator lagen zwei Behälter mit je rund 200 Litern Wasser, in dem Cadmiumchlorid gelöst war. Das Wasser lieferte die Protonen, das Cadmium fing die Neutronen. Über hundert Photovervielfacher blickten in jeden Szintillatortank.
Die Ausbeute lag bei etwa drei Ereignissen pro Stunde.
Die Kontrollen
Was das Experiment überzeugend machte, waren nicht die drei Ereignisse, sondern die Prüfungen daneben.
Abschalten. Bei stehendem Reaktor verschwand das Signal.
Reihenfolge umkehren. Vertauschte man die erwartete Reihenfolge der beiden Blitze, blieb nichts übrig.
Cadmium entfernen. Ohne den Neutronenfänger fiel das zweite Signal aus.
Jede dieser Proben hätte das Ergebnis kippen können. Keine tat es.
Nebenbei ergab die gemessene Rate den ersten experimentellen Wert für den Wirkungsquerschnitt des Neutrinos — und er stimmte mit der Rechnung von Hans Bethe und Rudolf Peierls überein, die zwanzig Jahre zuvor daraus geschlossen hatten, ein Nachweis sei unmöglich.
Das Telegramm
Am 14. Juni 1956 schickten Cowan und Reines eine Nachricht nach Zürich: Man habe Neutrinos eindeutig nachgewiesen. Pauli soll den Abend mit Freunden und einer Kiste Champagner begangen haben — die er, der Überlieferung nach, zuvor darauf verwettet hatte, dass es nie gelingen werde.
Nachwirkung
Reines erhielt 1995 den Nobelpreis. Cowan war 1974 gestorben; die Auszeichnung wird nicht posthum vergeben. Reines nannte ihn zeitlebens als gleichberechtigten Partner, und in der Fachliteratur heißt der Versuch bis heute nach beiden.
Verwandte Begriffe
- Frederick Reines und Clyde Cowan
- Antineutrino — was am Reaktor entsteht
- Wolfgang Pauli — der Vorschlag von 1930
- Szintillator — die Nachweistechnik
Quellen
- C. L. Cowan, F. Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse, A. D. McGuire: Detection of the Free Neutrino: A Confirmation, Science 124, 103 (1956).
- F. Reines: The neutrino: from poltergeist to particle, Nobelvortrag 1995.