Nobelpreis für Physik 2015

Am 6. Oktober 2015 gab die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften bekannt, dass der Nobelpreis für Physik zu gleichen Teilen an Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald geht — „für die Entdeckung der Neutrinooszillationen, die zeigt, dass Neutrinos Masse besitzen".

Es ist eine der Auszeichnungen, bei denen die Begründung selbst schon die ganze Geschichte erzählt: Zwei Teams auf zwei Kontinenten hatten unabhängig voneinander dasselbe gezeigt, und was sie zeigten, korrigierte ein Lehrbuch.

Die beiden Experimente

Super-Kamiokande liegt tausend Meter tief in einer Zinkmine bei Hida in Japan: ein Tank mit 50.000 Tonnen hochreinem Wasser, ausgekleidet mit über 11.000 Photovervielfachern. Sie registrieren die schwachen Lichtblitze, die entstehen, wenn ein Neutrino ausnahmsweise doch mit einem Atomkern wechselwirkt. Kajitas Gruppe verglich 1998 Neutrinos, die von oben kamen, mit solchen, die die ganze Erde durchquert hatten. Die von weit her fehlten — und zwar genau so, wie es die Oszillation vorhersagt.

Das Sudbury Neutrino Observatory arbeitete 2.100 Meter unter Tage in einer Nickelmine in Ontario. Sein Kunstgriff war die Füllung: schweres Wasser, geliehen aus den kanadischen Reaktorbeständen. Damit konnte McDonalds Team zwei Dinge zugleich messen — die Elektron-Neutrinos allein und alle drei Sorten zusammen. Das Ergebnis von 2001 war eindeutig: Die Elektron-Neutrinos aus der Sonne fehlten, die Gesamtzahl stimmte vollständig. Die fehlenden waren nicht verschwunden, sie waren verwandelt.

Warum die Entdeckung so schwer wog

Das Standardmodell der Teilchenphysik führte Neutrinos als masselos. Es hatte über Jahrzehnte praktisch jede Vorhersage bestanden. Die Oszillation ist jedoch nur möglich, wenn Neutrinos Masse haben — also musste das Modell erweitert werden.

Damit gehört diese Entdeckung zu den wenigen der letzten Jahrzehnte, die nicht eine Vorhersage bestätigt, sondern eine Lücke aufgezeigt haben. Sie ist bis heute einer der wichtigsten Wegweiser zu einer Physik jenseits des Standardmodells.

Die Bedeutung für die Neutrinovoltaik

Für jede Technologie, die Energie aus dem Neutrinofluss gewinnen möchte, ist 2015 das Fundamentjahr. Ein Teilchen ohne Masse bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit und lässt sich nicht abbremsen; ein Teilchen mit Masse trägt Impuls und kann Impuls abgeben. Erst dadurch wird die Frage nach einer Wandlung überhaupt eine physikalische Frage.

Die Neutrino® Energy Group führt den Preis von 2015 deshalb als ersten von drei Ankern ihrer Arbeit. Die beiden anderen sind die Messung der kohärenten Streuung durch COHERENT im Jahr 2017 und der Nachweis eines Stroms aus Graphen-Schwingungen durch Thibado 2020.

Die Preisträger

Takaaki Kajita, geboren 1959 in Higashimatsuyama, war zum Zeitpunkt der Auszeichnung Direktor des Institute for Cosmic Ray Research der Universität Tokio.

Arthur Bruce McDonald, geboren 1943 in Sydney, Nova Scotia, war Professor Emeritus an der Queen's University in Kingston, Ontario, und langjähriger Leiter der SNO-Kollaboration.

Beide betonten in ihren Nobelvorlesungen die Arbeit der Kollaborationen — an Super-Kamiokande und SNO waren jeweils mehrere hundert Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beteiligt.

Verwandte Begriffe

• Neutrinooszillation — das ausgezeichnete Phänomen
• Kohärente elastische Neutrino-Kern-Streuung — der zweite Anker, gemessen 2017
• Graphen — das Material des dritten Ankers
• Neutrinovoltaik — der Ansatz, der auf diesen drei Ergebnissen aufbaut

Quellen

• Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften: Pressemitteilung zum Nobelpreis für Physik 2015, 6. Oktober 2015, und Scientific Background: Neutrino Oscillations.
• Y. Fukuda u. a. (Super-Kamiokande): Physical Review Letters 81, 1562 (1998).
• Q. R. Ahmad u. a. (SNO): Physical Review Letters 89, 011301 (2002).