Melvin Schwartz

Melvin Schwartz (2. November 1932 – 28. August 2006) war ein US-amerikanischer Physiker. Von ihm stammt die Idee, die aus dem Neutrino ein Werkzeug machte: einen Neutrinostrahl zu bauen.

Für diese Idee und das daraus folgende Experiment erhielt er 1988 gemeinsam mit Leon Lederman und Jack Steinberger den Nobelpreis für Physik.

Der Einfall von 1960

Bis dahin nahm man Neutrinos, wo man sie fand — aus der Sonne oder aus Kernreaktoren. Beide Quellen liefern, was sie liefern; Energie und Richtung lassen sich nicht wählen.

Schwartz, damals an der Columbia University, dachte umgekehrt. Ein Teilchenbeschleuniger erzeugt Pionen. Pionen zerfallen und setzen dabei Neutrinos frei. Stellt man hinter die Zerfallsstrecke eine hinreichend dicke Wand, so wird alles aufgehalten — außer den Neutrinos. Was hindurchkommt, ist ein gerichteter Strahl von bekannter Energie.

Der Gedanke kam ihm nach eigener Darstellung während einer Diskussion über die Frage, wie sich die schwache Wechselwirkung bei hohen Energien untersuchen lasse. Die Antwort war: mit dem einzigen Teilchen, das nur schwach wechselwirkt.

Damit war das Neutrino nicht länger bloß Beobachtungsgegenstand, sondern Untersuchungsmittel.

Das Experiment von 1962

Umgesetzt wurde die Idee am Alternating Gradient Synchrotron in Brookhaven.

Die Abschirmung bestand aus 13,5 Metern Stahl. Das Material stammte aus dem Panzer eines ausgemusterten Schlachtschiffs — eine Lösung, die zugleich praktisch und billig war, denn solcher Stahl ist frei von der leichten Radioaktivität, die moderner Stahl aus Kernwaffenzeiten mitbringt.

Als Detektor diente eine Funkenkammer von zehn Tonnen.

Nach Monaten Laufzeit lagen 51 auswertbare Ereignisse vor. Entscheidend war, was darin nicht vorkam: Alle erzeugten Teilchen waren Myonen, kein einziges war ein Elektron.

Gäbe es nur eine Sorte Neutrinos, hätten beide etwa gleich häufig auftreten müssen. Der Befund bewies also, dass das Neutrino, das zusammen mit einem Myon entsteht, ein anderes Teilchen ist als jenes aus dem Betazerfall.

Das Myon-Neutrino war entdeckt — und damit die Vorstellung von Teilchenfamilien im Standardmodell begründet.

Was daraus wurde

Die Methode trägt bis heute die gesamte Beschleuniger-Neutrinophysik. Von MINOS über T2K und OPERA bis zum künftigen DUNE arbeiten alle Strahlexperimente nach diesem Muster: Protonen auf ein Target, Pionen bündeln, zerfallen lassen, alles andere abschirmen.

Auch die 2012 gelungene Neutrinokommunikation am Fermilab beruht auf einem Strahl dieser Bauart. Was 1960 als Gedanke begann, ist heute Standardausrüstung.

Der ungewöhnliche Weg danach

Schwartz ging 1966 an die Stanford University. Anfang der 1970er Jahre verließ er die Forschung und gründete Digital Pathways, ein Unternehmen für Datensicherheit.

Für einen künftigen Nobelpreisträger war das ein bemerkenswerter Schritt. Er begründete ihn damit, dass ihn die Aufgabe reizte — und führte das Unternehmen fast zwanzig Jahre.

1991 kehrte er in die Physik zurück und wurde stellvertretender Direktor für Hochenergiephysik am Brookhaven National Laboratory, also an jenem Ort, an dem sein Experiment stattgefunden hatte. Später lehrte er wieder an der Columbia University.

Einordnung

Schwartz' Beitrag zeigt, wie ein methodischer Einfall mehr bewirken kann als eine einzelne Entdeckung. Die Frage „Kann man Neutrinos gezielt herstellen?" klingt bescheiden. Ihre Beantwortung eröffnete ein Forschungsgebiet, das bis heute wächst.

Quellen

G. Danby, J.-M. Gaillard, K. Goulianos, L. M. Lederman, N. Mistry, M. Schwartz, J. Steinberger: Observation of High-Energy Neutrino Reactions and the Existence of Two Kinds of Neutrinos, Physical Review Letters 9, 36 (1962).
Nobelstiftung: Nobelpreis für Physik 1988.