Gargamelle

Gargamelle war eine Blasenkammer am CERN, die 1973 einen der wichtigsten Befunde der Teilchenphysik lieferte: den Nachweis neutraler Ströme.

Damit wurde die Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung von einer eleganten Vermutung zu geprüfter Physik — und der Weg zu den W- und Z-Bosonen war frei.

Was eine Blasenkammer ist

Eine Blasenkammer enthält eine Flüssigkeit knapp unterhalb des Siedepunkts. Durchquert ein geladenes Teilchen sie, entstehen entlang seiner Bahn winzige Dampfbläschen. Ein Blitzlicht und mehrere Kameras halten die Spur fest.

Das Verfahren hat einen Vorzug, den kein elektronischer Detektor jener Zeit bieten konnte: Man sieht das Ereignis. Jede Spur ist als Bild vorhanden, mit allen Verzweigungen, Krümmungen und Lücken.

Und es hat einen Nachteil: Jedes Bild musste von Menschen ausgewertet werden. Am CERN arbeiteten dafür ganze Abteilungen von Auswerterinnen, die Aufnahme für Aufnahme durchsahen.

Der Bau

Gargamelle wurde in Frankreich gebaut und ab 1970 am CERN betrieben. Der Behälter maß rund 4,8 Meter in der Länge und knapp zwei Meter im Durchmesser und fasste etwa 12 Kubikmeter schweres Freon.

Die Wahl der Flüssigkeit war entscheidend. Freon ist dicht, und Dichte bedeutet mehr Atomkerne je Volumen — also mehr Gelegenheiten für ein Neutrino, überhaupt zu wechselwirken. Bei einem Teilchen mit diesem Wirkungsquerschnitt zählt jedes Gramm.

Der Name stammt aus Rabelais' Roman: Gargamelle ist die Riesin, die Gargantua zur Welt bringt.

Die Frage

Die 1967 formulierte elektroschwache Theorie von Glashow, Salam und Weinberg sagte etwas Ungewöhnliches voraus.

Bekannt waren Vorgänge, bei denen ein Neutrino sich in ein geladenes Lepton verwandelt — die geladenen Ströme. Die Theorie verlangte daneben Vorgänge, bei denen das Neutrino Neutrino bleibt und nur Energie überträgt: neutrale Ströme.

Beobachtet hatte solche Ereignisse nie jemand. Gäbe es sie nicht, wäre die Theorie widerlegt gewesen — und mit ihr die Aussicht auf eine Vereinheitlichung von schwacher und elektromagnetischer Kraft.

Der Nachweis

Das gesuchte Bild ist eigentümlich. Ein Neutrino kommt herein, unsichtbar. Es trifft ein Nukleon, erzeugt einen Schauer aus Hadronen — und verschwindet wieder, ebenfalls unsichtbar.

Auf dem Film sieht man also ein Spurenbüschel, das aus dem Nichts entsteht und zu dem kein Myon gehört. Bei einem geladenen Strom wäre stattdessen eine lange, durchgehende Myonspur zu sehen.

Genau solche Aufnahmen fand die Kollaboration — etwa hundert Ereignisse ohne Myon gegenüber einigen hundert mit Myon. Das Verhältnis passte zur Vorhersage.

Die eigentliche Schwierigkeit

Der schwierige Teil war nicht das Finden, sondern das Ausschließen.

Neutronen aus der Umgebung können dasselbe Bild erzeugen: Sie sind ebenfalls neutral, ebenfalls unsichtbar, und ein Stoß erzeugt ebenfalls einen Schauer.

Die Kollaboration löste das über die räumliche Verteilung. Neutronen kommen von außen und werden in der Flüssigkeit rasch gestoppt — ihre Ereignisse müssten sich am Rand häufen. Neutrinos durchdringen alles und erzeugen ihre Ereignisse gleichmäßig über das ganze Volumen.

Die gefundenen Ereignisse waren gleichmäßig verteilt.

Zusätzlich fand Franz Josef Hasert eine einzelne Aufnahme, auf der ein Elektron ohne erkennbare Ursache seine Richtung ändert — die reinste denkbare Form eines neutralen Stroms, bei der ein Neutrino an einem Elektron streut. Ein einziges Ereignis, aber eines ohne jede Ausweichdeutung.

Die Folgen

Im Juli 1973 gab das CERN den Nachweis bekannt. Der Befund machte die elektroschwache Theorie glaubwürdig, und Glashow, Salam und Weinberg erhielten 1979 den Nobelpreis — bevor die Bosonen selbst gefunden waren. Deren Nachweis gelang 1983 ebenfalls am CERN.

Für die Neutrinophysik hat Gargamelle unmittelbare Bedeutung. Die kohärente Streuung an Atomkernen, auf die sich heutige Kleindetektoren stützen, ist ein Vorgang über neutrale Ströme. Und das Sudbury Neutrino Observatory löste das solare Neutrinoproblem, indem es geladene und neutrale Ströme gegeneinander verglich.

Ohne den Befund von 1973 gäbe es weder die Theorie dazu noch die Erwartung, dass sich so etwas messen lässt.

Nachwirkung

Die Kammer wurde 1979 durch einen Riss unbrauchbar. Sie steht heute im Freigelände des CERN und ist eines der wenigen Großgeräte der Teilchenphysik, die man von außen betrachten kann.

Quellen

F. J. Hasert u. a. (Gargamelle-Kollaboration): Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the Gargamelle neutrino experiment, Physics Letters B 46, 138 (1973).
F. J. Hasert u. a.: Search for elastic muon-neutrino electron scattering, Physics Letters B 46, 121 (1973).