Foto: katrin.kit.edu

Immer häufiger liest man von sogenannten Geisterteilchen – den Neutrinos. Doch welche Bedeutung haben diese für uns und das Universum? Was bringt es uns, ihre Masse zu kennen? Wir haben uns auf die Reise an den Campus Nord gemacht und mit dem Astroteilchenphysiker Guido Drexlin gesprochen, der schon als Kind fasziniert vom Sternenhimmel war.

das Interview führten Lena Kaul und Christian Martens

Sie sind nun seit fast 15 Jahren Professor für Astroteilchenphysik. Wann begann denn Ihre Leidenschaft für das Weltall?

Das war schon als Schüler, als ich mit 11 oder 12 mein erstes Fernrohr hatte und bei uns im Garten nachts die Sterne angeschaut habe. Mittlerweile sind die Instrumente nur etwas größer und teurer ­geworden. Eigentlich wollte ich mal Astronom werden. Jetzt bin ich Astro­teilchen­physiker – eigentlich das ideale Zwischending zwischen Astronomie, Astro­physik und Teilchenphysik. Damals gab es das noch nicht als Berufsziel. Das ist erst 1987 entstanden. Das wissen wir sehr genau: Am 28. Februar um 07:45 Uhr Universal Time ist die Astroteilchenphysik geboren worden. Da ist eine Supernova explodiert. Auf die Sekunde genau wissen wir also, wann so ein Feld begonnen hat. Ich bin jetzt gar nicht so unfroh darüber, dass ich nicht Astronom geworden bin. Aber die Faszination ist nach wie vor geblieben, nachts in den Sternenhimmel rauszuschauen. Was mich auch heute noch antreibt ist zu verstehen: Was ist das Weltall? Woraus besteht es? Ich denke, die Fragen sind heute noch größer geworden, noch spannender.

Was ist denn für Sie die spannendste ungelöste Frage des Universums?

Da gibt es viele Sachen. Natürlich ist Dunkle Materie ganz wichtig: 95 % des Universums kennen wir eigentlich nicht und ich denke, das ist so das Spannendste. Wenn wir in einer Situation wären, in der wir praktisch alles kennen, 99,999 % des Universums – das wäre schade. Dann würden wir sagen: „Naja, haben wir fast alles erforscht.“ Das hat der gute Max Planck auch vor über 100 Jahren mal gesagt bekommen und das hat sich ja dann noch ganz anders entwickelt.

Würden Sie dann dieses Nichtwissen als das Faszinierende bezeichnen? Oder anders gefragt: Was ist das Faszinierende an dieser Thematik?

Eigentlich die Neugier. Wir sind neugierige Wesen. Ich denke, das ist das, was sich die meisten Wissenschaftler erhalten haben: wissen zu wollen, was um uns rum ist. Dabei geht es um wirklich fundamentale Fragen: Weshalb ist die Nacht eigentlich dunkel? Weshalb gibt es Galaxien? Weshalb gibt es uns Menschen auf der Erde? Weshalb gibt es mehr Materie als Antimaterie im Universum*? Vieles ist noch nicht gelöst. Aber ich denke, das ist so das Faszinierende herauszufinden: MUSSTE das so sein? Ist das zwangsläufig so oder ist das mehr Zufall? Ich denke, die Fragen werden mit der Zeit immer faszinierender: Supernovas oder Blazare* – wir haben jetzt Neutrinos aus Blazaren nachgewiesen. Die Möglichkeiten, solche Sachen live zu erleben, sind immer besser geworden. Früher hat das alles Tage, Wochen, Monate, Jahre gedauert, bis man mal etwas wusste. Heute wissen wir das innerhalb von wenigen Tagen oder Wochen.

Wo wir es gerade von Neutrinos hatten – Was genau können wir uns denn unter Neutrinos vorstellen?

Die meisten Leute umschreiben Neutrinos mit Geisterteilchen. Natürlich wissen wir, dass es Neutrinos gibt. Das sind also keine unbekannten Geister. Aber vieles von dem, was Neutrinos ausmacht, ist schwierig zu greifen, weil sie mit unserer normalen Materie kaum wechselwirken. Die große Frage ist: Weshalb sind Neutrinos genau so, wie sie sind – so leicht, so schwach wechselwirkend? Wie wäre das Universum ohne die Neutrinos? Weshalb sind Neutrinos die Teilchen, die eine Million Mal leichter sind als Elektronen? Fakt ist: Wenn sie schwerer wären, gäbe es uns gar nicht. Sie sind sozusagen Schlüsselteilchen des Universums, die häufigsten Materieteilchen, die wir kennen. Sie sind leicht, aber sie sind sehr zahlreich. Und so Kleinvieh macht auch Mist. Insofern haben sie durch ihre riesige Anzahl das Schicksal des Universums mitbestimmt. Wäre es etwas schwerer das Neutrino, gäbe es keine Galaxien. Und ohne Galaxien auch keine Sonne, kein Sonnensystem, keine Erde und wir würden das Interview nicht machen. Auch hier ist die Frage: Ist das Zufall, dass die Neutrinos so leicht sind, oder ist es eine Gesetzmäßigkeit?

Warum gäbe es keine Galaxien, wenn die Neutrinos schwerer wären?

Diese Neutrinos sind durch nichts zu stoppen. Und hätten sie jetzt einen großen Anteil an der gesamten Materie und Energie im Universum, dann würden sie einfach verhindern, dass sich Strukturen wie Galaxien bilden können. Einfach dadurch, dass sie diese Strukturen einebnen – wie eine Wasserwelle ein Sandschloss ein­ebnet. Neutrinos versuchen alles gleich zu machen. Wenn sie, sagen wir mal, einen Faktor zehn schwerer wären, dann sähe das Universum ganz anders aus. Wir hätten praktisch nur Neutrinos und Photonen – ein ziemlich trübes Universum ohne Strukturen.

Wir wissen allein schon dadurch, dass wir existieren, dass Neutrinos relativ leicht sind. Und jetzt ist die große Frage: Wodurch bekommen die Neutrinos ihre Masse? Das ist eines der Hauptprobleme, die wir haben. Die Vermutung ist, dass die Neutrinos ihre Masse nicht durch eine Wechselwirkung mit dem Higgs-Boson*, sondern über einen anderen Prozess, erhalten. Eine zentrale Frage für uns Physiker ist auch: Warum haben wir überhaupt Masse? Wenn alle Teilchen masselos wären, würden wir alle mit Lichtgeschwindigkeit durch das All fliegen. Es gäbe keine Zeit, denn Einstein hat uns gesagt: Wenn man mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, vergeht keine Zeit. Neutrinos bekommen eben ihre Masse vielleicht durch ganz fantastische Prozesse, andere Raumdimensionen oder von etwas Unbekanntem bei sehr hohen Energien. Das sind noch so Sachen, die wir jetzt nicht hier auf der Erde untersuchen können, denn die Beschleuniger müssten so groß sein wie die Erdbahn.

Was konkret können wir damit anfangen, wenn wir die Masse der Neutrinos kennen?

Wir könnten dann im Wesentlichen die Masse der Neutrinos in sehr große Simulationen vom Universum einsetzen. Wir könnten dann sehen, was für einen Einfluss diese Neutrinos auf die Galaxien ­geübt haben. Da ist es natürlich ganz wichtig, dass wir zumindest einen der Parameter, die Neutrinomasse, im Labor bestimmen. Dann können wir das nehmen und schauen: Was hatten denn die Neutrinos für Auswirkungen im frühen Universum, ein paar Millionen Jahre nach dem Urknall, heute und vielleicht in hundert Milliarden Jahren.

Wir können also Aussagen über die Entstehung des Universums treffen.

Ja, genau. Eine der Hauptproblematik ist zum Beispiel: Weshalb gibt es Materie? Weshalb hat das Universum diese Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie? Und da kommen wieder die Neutrinos rein, die vermutlich eine kleine Bevorzugung für normale Materie im frühen Universum haben. Das ist noch nicht gesichert, aber die Vermutung von vielen Kollegen und mir. Wir sehen die Rolle der Neutrinos als kosmische Architekten, die bestimmten, wie sich große Strukturen gebildet haben, weshalb es die Materie-Antimaterie-Asymmetrie gibt und weshalb es uns als normales Materie-Universum gibt. Also Neutrinos sind überall dabei, wo es interessant ist. Das sind nicht so Rand­existenzen – auch wenn wir kaum mit ihnen wechselwirken. Wenn die Neutrinos nicht diese schwache Wechselwirkung hätten, wäre die Sonne z. B. schon nach ein paar Millionen Jahren ausgebrannt. Man braucht etwas, was die Fusions­energie aus der Sonne zügelt und so ganz langsam der Sonne zehn Milliarden Jahre Lebensdauer gibt. Und da sind auch Neutrinos beteiligt.

Die Neutrinos beruhigen also die Situation, wenn man das jetzt mit Menschen vergleichen möchte. 

Ja, dass man quasi nicht gleich alles austrinkt.

Sie haben hier ja das KATRIN (KArlsruher-TRitium-IoneN)-Experiment, das die Masse der Neutrinos bestimmen soll. Wie funktioniert das denn?

Genau, das ist unsere hauptsächliche Zielsetzung. Wir möchten wirklich messen, wie schwer Neutrinos sind. Es gibt schon Vorläuferexperimente. Die haben schon eine Obergrenze gesetzt, die uns gezeigt hat, dass Neutrinos auf jeden Fall so etwa 200 000 Mal leichter als Elektronen sind. Wir möchten das noch mal um einen Faktor zehn verbessern. Aber dazu müssen wir einen Faktor 100 besser sein als die Vorgängerexperimente. Ein Faktor 100 ist schon ein riesiger Schritt.

Können Sie schon sagen, ob das funktionieren wird?

Das Schöne ist, ich kann Ihnen jetzt seit dem 11. Juni sagen, dass das wirklich funktioniert. Wir haben 2001 angefangen. Das ist eine lange Zeit. Viele sagen, ich habe die Hälfte meines Lebens für Neutrinos verbracht. Da wird meine Frau sicher zustimmen (lacht). Jetzt wo wir die ersten sehr erfolgreichen Messungen gemacht haben und alles funktioniert, hat sich das gelohnt. Dieser Faktor 100 bedeutet, alle Komponenten in diesem 70 Meter langen Experiment müssen wirklich genau das tun, wofür sie designt worden sind. Das Gute ist, alles funktioniert – nach der langen Anlaufzeit – wesentlich besser als wir uns das erhofft haben. Wir haben gedacht, wir müssen erstmal bei den ersten Messungen ein paar Monate messen, bis wir die Daten verstehen. Das Schöne ist: Das hat einen Tag gedauert (schmunzelt). Wir haben das ja nicht alles selbst gebaut, sondern mit der Industrie zusammen. Und das waren nicht gerade Sachen, bei denen die Industrie gesagt hat: „Das holen wir jetzt aus dem Regal Nummer 27 und hier ist es“, sondern die mussten das erstmal selbst entwickeln, sich überlegen: Wie können wir das überhaupt erreichen? Dass man KATRIN überhaupt heute hat, ist nur dadurch wirklich eine Realität, dass wir sehr eng mit unseren Partnern zusammengearbeitet haben. Sie werden KATRIN nur einmal herstellen. Das ist alles ein Unikat: weltweit einmal hier in Karlsruhe.
Das ist ein Weltexperiment. Ich glaube, so schnell wird das auch niemand kopieren.

Und wie funktioniert das, dass KATRIN die Neutrinomasse misst?

Neutrinos sind auch beim KATRIN-Experiment so schwach wechselwirkend, dass sie gar nicht gemessen werden. Also das Karlsruher Tritium Ionen-Experiment misst nicht wirklich Neutrinos. Die Neutrinos, die wir wiegen wollen, entstehen bei einer speziellen radioaktiven Zerfallsart. Das ist das zweite in unserem Namen: Tritium. Tritium ist ein Element, das nach zwölf Jahren zur Hälfte zerfallen ist. Dabei entstehen Helium 3, ein Neutrino und ein Elektron. Wir fokussieren uns auf die Elektronen. Jetzt bleibt noch die Frage: Wie könnt ihr denn, wenn ihr die Elektronen jetzt messt, die Neutrinomasse messen? Wir haben bei diesem Zerfall immer eine feste Energie, die frei wird. Das ist eine Naturkonstante. Aber was die Menschen schon vor fast 100 Jahren gemerkt haben, ist, dass die Elektronen nie die maximale Energie haben, die da eigentlich freigesetzt werden soll. Dass immer Energie fehlt. Das ist natürlich, wie wir heute wissen, das Neutrino, welches diese Energie wegträgt und in keiner Laborapparatur direkt nachgewiesen wird – auch bei uns nicht. Das Wichtigste, was man sich merken soll: Die Neutrinos manifestieren sich als Energie, die man wegträgt. Und wir haben die Aufgabe herauszufinden, wie wenig Energie ein Neutrino wegtragen kann. Einstein hat uns ja gesagt: E = m c². Energie und Masse sind das gleiche. Und wenn wir uns jetzt einfach vorstellen, bei diesem Zerfall, bei dem sich die Energie brüderlich oder schwesterlich auf Neutrino und auf Elektron verteilt und das Neutrino ganz, ganz wenig Energie bekommt, dann bekommt natürlich das Elektron fast alles. Und dann ist die Frage, wie wenig Energie kann ich diesem Neutrino geben? Das heißt, wenn das Neutrino in Ruhe erzeugt wird, also am Ort bleibt, dann hat das mit Einstein eine Energie von m c², also seine Ruhemasse. Genau das ist unsere Messgröße. Wir gucken auf der anderen Seite: Wie viel Energie fehlt dem Elektron? Und wie wenig Energie hat das Neutrino dem Elektron weggenommen? Und diesen mini­malen Fehlbetrag rauszufinden, das ist unsere Aufgabe. Das ist für uns eine direkte Art. Auch wenn die meisten Leute sagen, das sei aber ein bisschen indirekt. Für uns ist es im Wesentlichen fehlende Energie. Irgendetwas fehlt. Wenn Sie Geld überweisen, dann merkt man auch, plötzlich fehlt etwas, irgendwo hat jemand was abgezwackt – irgendeine Bank oder irgendjemand sonst. Bei uns ist es das Neutrino – auch wenn es nur sehr wenig ist. Das wäre dann für uns einfach mit E = m c² die Neutrinomasse. Also unsere Aufgabe ist jetzt herauszufinden: Welche Energie haben Elektronen? Dazu müssen wir also Energien bzw. Geschwindigkeiten von Elektronen sehr genau messen.

Um dann über die Ruheenergie des Neu­trinos auf dessen Masse zu schließen.

Genau. Das E = m c² ist das einfachste (lacht). c² kennen wir – das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Aber das Schwierige ist, die Geschwindigkeit oder Energie von Elektronen zu messen. Das machen wir ganz einfach. Ich denke, viele werden diesen großen silbernen Tank von KATRIN kennen – dieses Riesenspektrometer, was 2006 durch Leopoldshafen transportiert wurde und vorher ein paar tausend Kilometer über das Schwarze Meer, das Mittelmeer, den Atlantik, die Nordsee und dann den Rhein hoch. Und das riesige Ding misst extrem genau Energien von Elektronen – dafür ist es gebaut.

Ende Mai war die 28. Internationale Konferenz über Neutrino- und Astrophysik in Heidelberg. Welche neuen ­Erkenntnisse konnten dort erlangt werden? Oder haben sich da eher neue Fragen aufgetan?

Ja, wir hatten eine Konferenz mit 800 Teilnehmern. Das ist neuer Rekord. Das zeigt schon, dass das Interesse an Neutrinos immer noch am Wachsen ist. Interessanter­weise kann ich jetzt nicht sagen: „Wir haben da dieses fantastische neue Resultat gehabt“. Man sieht jedoch, dass die Neutrino-Physik sich langsam, aber stetig entwickelt. Mittlerweile sind wir bei ­einem graduellen Anstieg, bei dem wir viele Jahre lang Experimente betreiben, die dann jedes Jahr etwas deutlicher diese interessanten Fragen beantworten.

Viele Experimente laufen momentan und in ihrer Summe ist das wirklich ­fantastisch, dass wir so in vielleicht 15 Jahren sagen können: Also Neutrinos haben eben diese Unterscheidung zwischen Materie und Anti-­Materie. Wir haben das bei Quarks viele Jahrzehnte versucht, aber nicht wirklich gefunden, dass diese Effekte so stark sind. Wir werden wissen, wie groß die Neutrinomasse ist.

Vor 20 Jahren, am 06.06.1998 verkündigte der heutige Nobelpreisträger Takaaki ­Kajita, dass Neutrinos eine endliche Masse haben. Er war auch in Heidelberg und hat noch einmal kurz zurückgeblickt, aber im Wesentlichen ging es darum, nach vorne zu schauen. Wir wissen, dass Neutrinos Masse haben. Das ist die einzige wirkliche Laborevidenz für neue Physik. Alles andere ist, dass vielleicht auch in den nächsten Jahren ein paar Durchbrüche kommen. Aber bis jetzt sind nur die Neutrinos ein Schlüssel zu neuer Physik, der uns zeigt: Ja, es gibt noch eine Theorie hinter dem Standardmodell*. Es gibt also hinter den bekannten Prozessen der Wechsel­wirkung der Elektronen, der Quarks… da gibt es noch was Fantastisches: Das muss irgendetwas Neues sein. Wir wissen nicht, was es ist – Extradimensionen, fantastisch hohe Energien, die da reinspielen. Und ich denke, die nächsten zehn Jahre werden zeigen, dass wir dann die Neutrinos ­benutzen als Schlüssel für Materie-Antimaterie-­Asymmetrie, Verletzung von bestimmten Symmetrien – also es bleibt spannend.

 

*(Asymmetrie zwischen) Materie und Antimaterie

Antimaterie ist Materie aus Anti-Teilchen. So existiert für jedes Teilchen ein gegensätzlich geladenes Antiteilchen, beispielsweise für ein Elektron mit der elektrischen Ladung -1 ein Antiteilchen, genannt Positron, mit der Ladung +1. Der Urknall hätte eigentlich die gleiche Menge an Teilchen (Materie) wie Antiteilchen (Antimaterie) erzeugen müssen. Jedoch besteht fast das ganze Universum nur aus Materie. Warum das so ist bzw. was mit der ganzen Antimaterie passiert ist, ist eine der größten offenen Fragen der heutigen Physik.

*Blazar

Blazare sind eine Unterklasse der aktiven Galaxienkerne, also der Zentralregion einer Galaxie, die eine erhöhte Menge an Strahlung und Teilchen in zufälliger Richtung zur Erde abgibt. Diese Strahlung entsteht durch Schwarze Löcher, die sich im Zentrum von Galaxien befinden und Materie in der Größenordnung von mehreren Milliarden Sonnenmassen aufsammeln (sog. Akkretion). Ein Teil der Materie wird entlang der Magnetfeldlinien stark beschleunigt und tritt in Form von Jets wieder aus den Schwarzen Löchern aus. Weist dieser Strahl genau in unsere Blickrichtung, sprechen Physiker von einem Blazar.

*Gottesteilchen/Higgs-Boson

Der Higgs-Mechanismus ist eine mögliche Art, worüber man Teilchenmassen erklären kann. Es gibt ein Higgs-Feld, womit Teilchen wechselwirken können. Die Stärke der Wechselwirkung ist verantwortlich für die Masse der Teilchen. Das Higgs-Boson selbst kann dabei wie eine Anregung des Higgs-Feldes selbst betrachtet werden, vergleichbar mit dem Ton, den eine angeregte Saite abgibt. Es wurde im Rahmen des Standardmodells vorhergesagt und einige Jahrzehnte später auch tatsächlich entdeckt.

*Standardmodell der Teilchenphysik

Das Standardmodell vereinigt das Wissen, das wir über viele Jahrzehnte über die fundamentalen Teilchen und ihre unterschiedliche Wechselwirkung erlangt haben. Es klassifiziert diese aufgrund verschiedener Eigenschaften, wie z. B. Masse, Ladung oder Spin, und postulierte die Existenz des Higgs-Bosons. Mit der Entdeckung dieses Teilchens im Jahr 2012 wurde das Standardmodell erneut bestätigt und ist somit heutzutage als richtig anerkannt. Jedoch ist es unvollständig, da es Themen wie beispielsweise Gravitation nicht beschreibt oder Erkenntnisse wie die nicht masselosen Neutrinos nicht erklären kann. Die Erforschung all dieser Fragen wird als neue Physik oder Physik jenseits des Standardmodells beschrieben.

 

Prof. Dr. Guido Drexlin

ist Professor für Astroteilchenphysik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) am Institut für Experimentelle Teilchenphysik (ETP) und am Institut für Kernphysik (IKP). Hier ist er auch Projektleiter des Karlsruhe Tritium Neutrino Experiments, kurz KATRIN. Der waschechte Karlsruher hat es sich zur Lebensaufgabe gemacht, die Neutrinomasse herauszufinden.

Herausgeber

fuks e.V. – Geschäftsbereich Karlsruher Transfer

Waldhornstraße 27, 76131 Karlsruhe
Telefon +49 (0) 721 38 42 313
transfer@fuks.org

Urheberrecht:

Alle Rechte vorbehalten. Die Beiträge sind urheberrechtlich geschützt. Vervielfältigungen jeglicher Art sind nur mit Genehmigung der Redaktion und der Autoren statthaft. Namentlich gekennzeichnete Artikel geben nicht unbedingt die Meinung der Redaktion wider. Der Karlsruher Transfer erscheint einmal pro Semester und kann von Interessenten kostenlos bezogen werden.

Share
This