Daniel Z. Freedman

Daniel Z. Freedman (* 1939) ist ein US-amerikanischer theoretischer Physiker. Von ihm stammt die Vorhersage der kohärenten elastischen Neutrino-Kern-Streuung — jenes Effekts, der heute Neutrinodetektoren von der Größe eines Koffers möglich macht.

Bekannt ist er darüber hinaus als Mitbegründer der Supergravitation, eines ganz anderen Zweigs der theoretischen Physik.

Die Vorhersage von 1974

Freedman veröffentlichte 1974 eine Arbeit, die aus der kurz zuvor bestätigten Theorie der schwachen Wechselwirkung eine unmittelbare Folgerung zog.

Gargamelle hatte 1973 die neutralen Ströme nachgewiesen: Vorgänge, bei denen ein Neutrino über das Z-Boson wechselwirkt, ohne seine Identität zu ändern.

Freedman fragte, was geschieht, wenn ein Neutrino niedriger Energie auf einen ganzen Atomkern trifft. Seine Antwort: Bei hinreichend kleiner Energie kann das Neutrino die einzelnen Nukleonen nicht mehr unterscheiden. Es streut dann nicht an einem Proton oder Neutron, sondern am Kern als Ganzem — und die Beiträge der einzelnen Neutronen addieren sich nicht einfach, sondern verstärken sich kohärent.

Der quadratische Gewinn

Die Folge ist bemerkenswert: Der Wirkungsquerschnitt wächst mit dem Quadrat der Neutronenzahl.

Bei einem schweren Kern wie Caesium mit 78 Neutronen bedeutet das einen Faktor von rund sechstausend gegenüber der Streuung an einem einzelnen Nukleon.

Für ein Teilchen, dessen Hauptproblem darin besteht, dass es fast nie wechselwirkt, ist ein Faktor sechstausend eine Umwälzung. Er ist der Grund, warum ein Detektor von wenigen Kilogramm ausreicht, wo sonst Tausende Tonnen nötig wären.

Warum es 43 Jahre dauerte

Freedman selbst hielt den Nachweis für schwierig, und er behielt recht.

Der Haken liegt im Rückstoß. Der Kern nimmt zwar Energie auf, aber sehr wenig — er bewegt sich um Bruchteile eines Kiloelektronenvolts. Ein solches Signal von Störungen zu unterscheiden, überstieg die Messtechnik ihrer Zeit bei weitem.

Erst 2017 gelang der Kollaboration COHERENT an einer Spallationsquelle in Oak Ridge der erste Nachweis. Zwischen Vorhersage und Bestätigung lagen 43 Jahre — vergleichbar mit den 26 Jahren zwischen Paulis Vorschlag und dem ersten Neutrinonachweis.

Was daraus geworden ist

Der Effekt ist heute keine Kuriosität mehr, sondern ein Werkzeug.

Er erlaubt tragbare Detektoren, wie sie zur Überwachung von Kernreaktoren diskutiert werden. Er ist der Kanal, über den sich Neutrinokommunikation mit kleineren Empfängern denken ließe. Und er ist zugleich eine Grenze für die Suche nach dunkler Materie: Ab einer bestimmten Empfindlichkeit sehen solche Detektoren unvermeidlich Sonnenneutrinos.

2025 wies das Experiment CONUS+ den Effekt erstmals auch an Reaktorantineutrinos nach — bei deutlich niedrigeren Energien als bei COHERENT.

Die zweite Laufbahn

Freedmans bekannteste Arbeit liegt auf einem ganz anderen Gebiet. 1976 entwickelte er gemeinsam mit Sergio Ferrara und Peter van Nieuwenhuizen die Supergravitation — eine Theorie, die Supersymmetrie mit Einsteins Gravitationstheorie verbindet.

Für diese Arbeit erhielten die drei 2019 den Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics.

Dass derselbe Mensch eine Vorhersage der Neutrinophysik und einen Grundstein der Quantengravitation beigesteuert hat, ist selbst in der theoretischen Physik ungewöhnlich.

Quellen

D. Z. Freedman: Coherent effects of a weak neutral current, Physical Review D 9, 1389 (1974).
COHERENT-Kollaboration: Observation of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering, Science 357, 1123 (2017).