Hans Bethe

Hans Albrecht Bethe (2. Juli 1906 – 6. März 2005) war ein deutsch-amerikanischer Physiker. Er erklärte, wie Sterne ihre Energie erzeugen, und erhielt dafür 1967 den Nobelpreis für Physik.

Für die Neutrinophysik ist er in zweifacher Hinsicht wichtig: Er beschrieb die Reaktionen, die Sonnenneutrinos hervorbringen — und er rechnete 1934 aus, wie unwahrscheinlich es ist, ein Neutrino je zu sehen.

Werdegang

Bethe wurde in Straßburg geboren und promovierte 1928 bei Arnold Sommerfeld in München. 1933 verlor er als Sohn einer jüdischen Mutter seine Stelle in Tübingen und ging über England 1935 an die Cornell University in Ithaca, New York, der er siebzig Jahre lang verbunden blieb.

Im Zweiten Weltkrieg leitete er die Theorieabteilung in Los Alamos. Nach dem Krieg setzte er sich jahrzehntelang für Rüstungskontrolle ein und war einer der wirksamsten Fürsprecher des Teststoppabkommens von 1963.

„Nicht zu beobachten"

Kurz nachdem Enrico Fermi seine Theorie des Betazerfalls vorgelegt hatte, rechneten Bethe und Rudolf Peierls aus, wie stark ein Neutrino mit Materie wechselwirken würde. Sie kamen auf einen Wirkungsquerschnitt in der Größenordnung von 10⁻⁴⁴ Quadratzentimetern.

Ihre Schlussfolgerung war nüchtern: Es gebe keinen praktisch gangbaren Weg, das Neutrino zu beobachten. Ein Teilchen mit diesem Querschnitt durchquert mühelos einen Bleiblock von der Dicke mehrerer Lichtjahre.

Die Rechnung war richtig. Die Schlussfolgerung war es nicht — sie unterschätzte, was sich mit sehr starken Quellen und sehr großen Detektoren erreichen lässt. Frederick Reines und Clyde Cowan führten das 1956 vor, und ihre gemessene Rate stimmte mit Bethes Zahl überein.

Bethe hat das später mit sichtlichem Vergnügen kommentiert. Die Anekdote gehört zu den lehrreichsten der Physik: Eine richtige Rechnung wird zur falschen Aussage, sobald man aus ihr auf die Grenzen des Machbaren schließt.

Wie Sterne brennen

1938 und 1939 legte Bethe die Arbeiten vor, für die er den Nobelpreis erhielt. Die Frage war alt: Woher nimmt die Sonne ihre Energie? Chemische Verbrennung hätte für einige tausend Jahre gereicht, Zusammenziehung unter der eigenen Schwerkraft für einige Millionen — die Geologie forderte Milliarden.

Bethe beschrieb zwei Wege, auf denen Sterne Wasserstoff zu Helium verschmelzen:

Die Proton-Proton-Kette. Der Weg leichterer Sterne wie unserer Sonne. Vier Protonen werden schrittweise zu einem Heliumkern; dabei entstehen Positronen und Neutrinos. Der erste Schritt verlangt, dass sich ein Proton in ein Neutron umwandelt — ein Vorgang der schwachen Wechselwirkung, und deshalb so langsam, dass die Sonne Milliarden Jahre brennt statt zu explodieren.

Der CNO-Zyklus. Der Weg schwererer Sterne. Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff wirken als Katalysatoren, die selbst nicht verbraucht werden.

Die späte Bestätigung

Beide Wege setzen Neutrinos frei, und zwar mit unterschiedlichen Energien. Genau das machte sie später messbar.

Die pp-Neutrinos wies Borexino 2014 nach. Und 2020 gelang derselben Anlage der Nachweis der CNO-Neutrinos — Bethes zweiter Weg, 81 Jahre nach seiner Rechnung und fünfzehn Jahre nach seinem Tod.

Wenige theoretische Arbeiten haben so lange auf ihre unmittelbare Bestätigung warten müssen.

Nachwirkung

Bethe veröffentlichte bis ins hohe Alter. Gemeinsam mit John Bahcall verfasste er Arbeiten zu der Frage, ob die fehlenden Sonnenneutrinos auf neue Teilchenphysik hindeuten. Beide hielten die Antwort für Ja — und behielten recht.

Er starb 2005 im Alter von 98 Jahren, drei Jahre nachdem Raymond Davis für die Messung jener Neutrinos den Nobelpreis erhalten hatte, deren Entstehung Bethe berechnet hatte.

Quellen

H. Bethe, R. Peierls: The Neutrino, Nature 133, 532 (1934).
H. A. Bethe: Energy Production in Stars, Physical Review 55, 434 (1939).