Homestake-Experiment

Das Homestake-Experiment war der erste Versuch, Neutrinos von der Sonne nachzuweisen. Raymond Davis betrieb es von 1968 bis 1994 in einer Goldmine in South Dakota. Es lieferte ein Ergebnis, das dreißig Jahre lang niemand erklären konnte — und war damit der Anfang einer der ergiebigsten Fehlersuchen der Physikgeschichte.

Die Aufgabe

Bis in die 1960er Jahre war die Kernfusion im Sonneninneren eine gut begründete Theorie, aber niemand hatte sie je unmittelbar beobachtet. Das Licht, das uns erreicht, stammt von der Oberfläche; die Energie hat dorthin zehntausende Jahre gebraucht. Was gerade jetzt im Kern geschieht, verrät es nicht.

Neutrinos schon. Sie verlassen den Kern ungehindert und sind nach gut acht Minuten hier. Wer sie zählt, sieht der Sonne beim Brennen zu.

John Bahcall hatte berechnet, wie viele davon ankommen müssten. Davis' Aufgabe war, sie zu finden.

Der Aufbau

Das Verfahren beruht auf einer Kernreaktion, die Bruno Pontecorvo vorgeschlagen hatte: Ein Elektron-Neutrino verwandelt einen Chlor-37-Kern in einen Argon-37-Kern und ein Elektron. Die Schwelle liegt bei 814 Kiloelektronenvolt — hoch genug, dass nur die seltenen energiereichen Neutrinos aus dem Bor-8-Zerfall erfasst werden, also weniger als ein Prozent aller Sonnenneutrinos.

Als Chlorquelle diente Perchlorethylen, gewöhnliche Reinigungsflüssigkeit. 615 Tonnen davon standen in einem Stahltank, 1.478 Meter unter Tage auf der 4850-Fuß-Sohle der Homestake-Mine bei Lead in South Dakota. Der Fels darüber hält kosmische Myonen ab, die sonst jedes Signal überdeckt hätten.

Die eigentliche Schwierigkeit

Bahcalls Rechnung ergab, dass in diesem Tank etwa ein Argonatom pro zwei Tage entstehen würde. Über einen Messlauf von zwei Monaten sammelten sich also einige Dutzend Atome — in 615 Tonnen Flüssigkeit, also unter etwa 10³⁰ anderen Atomen.

Die meisten Fachleute hielten das für aussichtslos. Davis war Chemiker, kein Physiker, und für einen Chemiker war es keine unmögliche Aufgabe, sondern eine schwierige.

Sein Verfahren: Alle paar Wochen wurde Helium durch den Tank geblasen. Das Edelgas nimmt das ebenfalls edle Argon mit, während das Perchlorethylen zurückbleibt. Das Argon wurde in einer Kühlfalle ausgefroren, in ein winziges Zählrohr überführt und dort einzeln über seinen radioaktiven Zerfall nachgewiesen. Argon-37 hat eine Halbwertszeit von 35 Tagen — kurz genug, um in wenigen Monaten fast alles zu zählen, lang genug, um die Extraktion zu überstehen.

Damit nicht genug: Davis wies nach, dass sein Verfahren wirklich jedes Atom findet. Er gab eine bekannte, winzige Menge Argon in den Tank und holte sie wieder heraus. Die Ausbeute lag über 90 Prozent — eine Positivkontrolle, wie sie strenger kaum sein könnte.

Das Ergebnis, das niemand wollte

Ab 1968 lagen Zahlen vor. Davis fand etwa ein Drittel dessen, was Bahcall berechnet hatte.

Das war kein knappes Ergebnis, sondern eine klaffende Lücke. Und die naheliegenden Erklärungen lagen auf der Hand: Entweder rechnete Bahcall falsch, oder Davis maß falsch.

Beide prüften jahrzehntelang nach. Bahcall verfeinerte sein Sonnenmodell immer weiter und ließ es unabhängig durch die Helioseismologie bestätigen — aus den Schwingungen der Sonnenoberfläche lässt sich der innere Aufbau ableiten, ganz ohne Neutrinos. Davis wiederholte seine Eichungen und prüfte, ob sein Tank womöglich auf etwas anderes ansprach; unter anderem stellte er einen Tank an einen Kernreaktor und fand dort erwartungsgemäß nichts, weil Reaktoren Antineutrinos aussenden und nicht Neutrinos.

Beide fanden keinen Fehler. Denn es gab keinen.

Die Auflösung

Das solare Neutrinoproblem blieb bis 2002 offen. Dann zeigte das Sudbury Neutrino Observatory, dass die fehlenden Neutrinos nicht verschwunden, sondern nur umgewandelt waren — in Arten, auf die Davis' Chlortank prinzipiell nicht ansprechen konnte.

Zählt man alle drei Arten zusammen, stimmt Bahcalls Zahl.

Davis' Messung war also von Anfang an richtig gewesen. Sie hatte nur etwas anderes gemessen, als alle annahmen — und genau darin lag die Entdeckung.

Nachwirkung

Davis erhielt 2002 den Nobelpreis, gemeinsam mit Masatoshi Koshiba. Er war da 87 Jahre alt.

Der Ort selbst hat eine bemerkenswerte Fortsetzung gefunden. In denselben Stollen entsteht heute der Ferndetektor von DUNE — vier Module mit zusammen 68.000 Tonnen flüssigem Argon. Wo einst ein einziger Tank mit Reinigungsflüssigkeit stand, wird künftig die Frage nach der CP-Verletzung entschieden.

Quellen

R. Davis Jr., D. S. Harmer, K. C. Hoffman: Search for Neutrinos from the Sun, Physical Review Letters 20, 1205 (1968).
B. T. Cleveland u. a.: Measurement of the Solar Electron Neutrino Flux with the Homestake Chlorine Detector, The Astrophysical Journal 496, 505 (1998).