Solares Neutrinoproblem
Dreiunddreißig Jahre lang stimmte eine Zahl nicht. Detektoren maßen nur etwa ein Drittel der Neutrinos, die aus der Sonne kommen sollten — und niemand konnte sagen, ob die Sonnenmodelle falsch waren, die Messungen, oder etwas ganz anderes.
Die Auflösung von 2001 war schöner als jede der erwarteten Antworten.
Der Befund von 1968
Raymond Davis baute in der Homestake-Goldmine in South Dakota einen Tank mit 615 Tonnen Perchlorethylen — gewöhnliche Reinigungsflüssigkeit. Trifft ein Elektron-Neutrino einen Chlorkern, wird daraus ein Argonkern.
Davis spülte alle paar Wochen die entstandenen Argonatome heraus und zählte sie. Es waren buchstäblich einzelne Atome in einem Tank von 380 Kubikmetern — eine der empfindlichsten Messungen, die je unternommen wurden.
Die Vorhersage stammte von John Bahcall, der das Innere der Sonne durchgerechnet hatte. Davis maß beharrlich etwa ein Drittel davon.
Die drei Verdächtigen
Über drei Jahrzehnte standen drei Erklärungen im Raum:
| Verdacht | Was er bedeutet hätte |
|---|---|
| Die Sonnenmodelle sind falsch | Bahcalls Rechnung stimmt nicht — der Kern ist kühler als gedacht |
| Die Messung ist falsch | Davis' Verfahren verliert Argon oder zählt daneben |
| Die Neutrinos verändern sich | etwas passiert ihnen auf dem Weg |
Die ersten beiden lagen nahe und wurden entsprechend gründlich geprüft. Bahcall verfeinerte sein Modell über Jahrzehnte; die Vorhersage blieb. Davis verbesserte seine Methode; das Defizit blieb.
Der dritte Verdacht war der unbequemste, denn er verlangte Physik jenseits des Standardmodells.
Die Bestätigung durch andere Verfahren
In den 1990er Jahren maßen GALLEX im Gran Sasso und SAGE im Kaukasus mit Gallium statt Chlor — empfindlich auch für die niederenergetischen Neutrinos aus der Proton-Proton-Reaktion, die den Löwenanteil ausmachen. Auch sie fanden zu wenige.
Super-Kamiokande maß ab 1996 mit Wasser und einer ganz anderen Technik. Wieder dasselbe.
Damit war die zweite Erklärung erledigt: Vier Experimente mit vier Verfahren konnten nicht alle denselben Fehler machen.
Die Auflösung von 2001
Das Sudbury Neutrino Observatory konnte als erstes beides zugleich messen — die Elektron-Neutrinos allein und die Summe aller drei Sorten.
Das Ergebnis: Die Elektron-Neutrinos fehlten. Die Gesamtzahl stimmte genau.
Damit war die Sache entschieden. Bahcalls Sonnenmodell war die ganze Zeit richtig gewesen. Davis' Messung war die ganze Zeit richtig gewesen. Was fehlte, war ein Stück Physik: die Neutrinooszillation.
Die späte Ehrung
Raymond Davis erhielt 2002 den Nobelpreis für Physik, im Alter von 88 Jahren — vierunddreißig Jahre nach seiner ersten Messung. John Bahcall, dessen Rechnung die ganze Zeit gestimmt hatte, wurde nicht ausgezeichnet; er starb 2005.
Was der Fall lehrt
Drei Jahrzehnte lang sah es aus, als sei irgendwo ein Fehler. Am Ende war nirgends einer — es fehlte ein Naturgesetz. Solche Fälle sind selten, und deshalb ist das solare Neutrinoproblem bis heute ein Lehrstück darüber, wann man einer unbequemen Messung glauben sollte.
Verwandte Begriffe
- Sudbury Neutrino Observatory — die Auflösung
- Super-Kamiokande — die unabhängige Bestätigung
- Neutrinooszillation — die Antwort
- Neutrino — das Teilchen
- Zeitleiste der Neutrinophysik — von 1968 bis 2001
Quellen
- R. Davis, D. S. Harmer, K. C. Hoffman: Search for neutrinos from the Sun. Physical Review Letters 20, 1205 (1968).
- J. N. Bahcall: Solar Neutrinos. Physical Review Letters 12, 300 (1964).
- Q. R. Ahmad u. a. (SNO): Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
- Nobel Prize Outreach: The Nobel Prize in Physics 2002, nobelprize.org.