Die seltsamsten Teilchen im Universum

Aug 28, 2023

Neutrinos sind bizarr und allgegenwärtig und verstoßen möglicherweise gegen die Regeln der Physik

Sie sind klein, kaum wahrnehmbar, und 500 Billionen von ihnen passieren uns derzeit. Neutrinos gehören zu den zahlreichsten und zugleich geheimnisvollsten Schöpfungen der Natur. Der Wissenschaftsjournalist James Riordon machte sich kürzlich daran, das Bekannte und das Unbekannte über Neutrinos aufzulisten, und er stellte fest, dass die zweite Spalte länger war. „Für mich ist das Interessanteste, dass wir überraschend wenig über sie wissen“, sagt er. „Diese sind definitiv hier und definitiv mysteriös. Die spannende Wissenschaft liegt in der Beantwortung dieser Fragen.“

In dem neuen Buch Ghost Particle: In Search of the Elusive and Mysterious Neutrino (MIT Press, 2023) dokumentieren Riordon und sein Co-Autor, der Physiker Alan Chodos, wie die überraschenden Teilchen erstmals vorgeschlagen und entdeckt wurden und was Wissenschaftler dazu herausgefunden haben weit – plus alles, was sie hoffentlich irgendwann verstehen werden. Aufgrund ihrer vielen Kuriositäten scheinen Neutrinos vielversprechende Kanäle für die Beantwortung einiger unserer größten Fragen zu sein: Warum besteht das Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie? Was ist dunkle Materie? Und kann sich etwas schneller als Licht fortbewegen?

Scientific American sprach mit Riordon darüber, warum diese bizarren Teile der Natur so cool sind und wie seine eigene Familiengeschichte in die Geschichte der Neutrinos passt.

[Eine bearbeitete Abschrift des Interviews folgt.]

Sie haben also tatsächlich eine persönliche Verbindung zu Neutrinos. Was ist es?

Ich bin der Enkel eines der Mitentdecker der Neutrinos, Clyde Cowan Jr. Aber er starb, als ich neun Jahre alt war. In meiner Familie gab es immer eine Mythologie über ihn, aber es war nicht wirklich klar, was er getan hatte. Das habe ich erst verstanden, als ich an der Uni Physik studiert habe. Mein Interesse wuchs, als ich Wissenschaftsjournalist wurde und diese interessanten Neutrino-Ergebnisse herauskamen.

Ich habe mit MIT Press darüber gesprochen, ein Buch zu schreiben, und sie waren interessiert, wollten aber sicherstellen, dass ein Experte auf diesem Gebiet mit mir schreibt. Ich dachte an Alan Chodos, einen Theoretiker, der über den Tellerrand hinaus denkt. Er hat einige interessante Spekulationen über Neutrinos geschrieben, die etwas am Rande liegen.

Welche der unzähligen Fragen, die Neutrinos aufwerfen, fasziniert Sie am meisten?

Mein Lieblingsrätsel ist die Feststellung, ob es sich um ein eigenes Antiteilchen handelt oder nicht. Für mich ist das die größte und dramatischste Frage zu Neutrinos. Das berührt die wirklich große Frage nach dem Ursprung des Universums.

Wenn sich herausstellt, dass ein Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist, könnte es uns helfen zu verstehen, warum das Universum hauptsächlich aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht. Wir wissen, dass das Universum bei seiner Entstehung ein perfektes Gleichgewicht von Materie und Antimaterie sein musste. Es gäbe keine Materie mehr, wenn die gesamte Materie und Antimaterie im Universum gerade vernichtet worden wäre. Es musste also irgendwo ein Ungleichgewicht entstehen, und Neutrinos könnten ein Hinweis auf die Ursache dieses Ungleichgewichts sein.

Sie schreiben: „Die bloße Idee von Neutrinos war eine schreckliche Sache, in den Worten der ersten Person, die sie sich ausgedacht hat.“ Wolfgang Pauli schlug 1930 Neutrinos vor, um zu erklären, warum bei einer bestimmten Art von Teilchenzerfall offenbar Energie und Impuls fehlten. Warum war die Neutrinolösung so schrecklich?

Es schien fast wie ein Taschenspielertrick. Sie hatten ein Problem mit dem Beta-Zerfall, dieser Kernreaktion, bei der scheinbar etwas fehlte. Wenn man also da sitzt und sagt: „Was fehlt? Lasst uns einfach all die Dinge, die fehlen, zusammenkratzen und zu einem neuen Teilchen zusammenfügen“, um die Frage zu beantworten, fühlt es sich an wie eine „einfach so“-Geschichte – wie „Wie ist Leopard geworden?“ seine Flecken? Nun ja, irgendein alter Gott hat Schlamm auf ihn geworfen.“ Klar, es ist eine Antwort. Aber man kann es nicht überprüfen. Es löst Ihr Problem, ist aber unbefriedigend.

Pauli ging davon aus, dass er die Antwort nicht überprüfen konnte, weil er und andere Physiker dachten, Neutrinos wären völlig nicht nachweisbar. Dennoch haben wir jetzt drei verschiedene Arten von ihnen gesehen. Und besteht die Möglichkeit, dass es noch mehr sind?

Im Los Alamos [National Laboratory in New Mexico] stellten sie fest, dass in einem ihrer Experimente zu viele Neutrinos auftauchten. Eine Erklärung wäre, dass es noch eine andere Art von Neutrino gibt, die nur mit anderen Neutrinos und möglicherweise einer Art Dunkler Materie interagiert. Man nennt sie sterile Neutrinos. Es gibt Grund zu der Annahme, dass es viele Arten von Neutrinos geben könnte, aber das ist nur eine Möglichkeit.

Die Menschen erwarteten, dass diese Anomalie in Los Alamos verschwinden würde. Sie testeten es an anderen Maschinen im [Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois]. Ich erinnere mich an ein Gespräch mit den Leuten in Los Alamos, die als erste die scheinbar suggestiven sterilen Neutrinos gefunden hatten, und sie alle erwarteten, dass es absolut keine Anzeichen von sterilen Neutrinos geben würde [vom Folgetest]. Stattdessen bestätigte es ihr erstes Experiment, das darauf hinwies, dass es sterile Neutrinos gab. Es war eine verblüffende Bestätigung von etwas, von dem fast jeder annahm, dass es sich lediglich um einen Messfehler handelte. Die Frage ist eindeutig immer noch offen, und es gibt Gründe für die Annahme beider Seiten: dass es eine Art systematischen Fehler gibt, dem beide unterliegen, oder dass die Frage immer noch offen ist. Das wird hoffentlich bald beantwortet.

Ein weiteres großes Rätsel ist, was Neutrinos tatsächlich wiegen. Zuerst wurde vorhergesagt, dass sie masselos seien, aber jetzt wissen Wissenschaftler, dass sie eine Masse ungleich Null haben müssen. Wie stehen wir dazu, herauszufinden, was diese Masse ist?

Eines der Dinge, über die es wirklich Spaß macht, mit Alan zu sprechen, ist, dass KATRIN [ein deutsches Experiment zur Messung der Masse von Neutrinos] nicht sagt, dass Neutrinos eine kleine positive Masse haben. Es heißt, dass sie eine kleine Masse haben, die entweder positiv oder negativ im Quadrat der Masse sein könnte. Das bedeutet, dass sie, basierend auf der Art und Weise, wie sie das Experiment durchführen, eine imaginäre Masse haben könnten, die sie zu „tachyonischen Neutrinos“ machen würde. Dies würde dazu führen, dass sie möglicherweise schneller als mit Lichtgeschwindigkeit oder möglicherweise zeitlich rückwärts reisen, je nachdem, wie Sie darüber denken.

Natürlich glauben die Leute bei KATRIN nicht, dass das eine Möglichkeit ist, also werfen sie es einfach weg. Aber Leute wie Alan hegen immer noch die leise Hoffnung, dass die Antwort vielleicht tatsächlich negativ ausfallen wird, auch wenn sie sie nur einbeziehen, um sicherzustellen, dass ihre Statistiken nicht durcheinander geraten.

Wenn Neutrinos sich schneller als Licht fortbewegen könnten, wüssten wir das dann nicht schon?

Es ist wahr, dass es alle möglichen Probleme geben würde. Ich habe mit [dem Physiker] Sheldon Glashow gesprochen und ihn dazu befragt. Er wies darauf hin, dass, wenn sich Neutrinos schneller als Licht fortbewegen könnten, dies zu einem gewaltigen Strahlungsausbruch führen würde und sie schnell langsamer würden. Selbst wenn sie sich also vorübergehend schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen könnten, würden sie sich sofort nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Ich neige dazu, an Sheldon Glashows Antwort zu glauben. Alan hegt Hoffnung, weil er Theoretiker ist und sie gerne seltsame Dinge glauben. Niemand, nicht einmal Alan, erwartet ernsthaft, etwas zu sehen.

Hat sich nach all diesen Recherchen und dem Schreiben dieses Buches Ihre Einstellung zu Ihrem Großvater verändert?

Das tat es. Ich fand, dass in dem, was er und Fred Reines [sein Mitarbeiter bei den Neutrino-Entdeckungsexperimenten] gemacht haben, eine Menge Humor steckt. Sie hatten die Kühnheit, einen kleinen Witz in die Gestaltung eines gewaltigen wissenschaftlichen Experiments einzubinden.

Ihre erste Idee, nach Neutrinos zu suchen, bestand darin, die Atomwaffentests zu nutzen, die während des Manhattan-Projekts in Los Alamos durchgeführt wurden, nicht wahr?

Wenn Sie sich den ursprünglichen Vorschlag ansehen, der an sich schon gewagt war, sahen sie vor, einen Detektor in einen Schacht einzubauen und ihn gleichzeitig abzuwerfen, während in etwa 40 Metern Entfernung eine Atomwaffe explodierte. Es war ein unglaublich kompliziertes System zu entwickeln. Sie mussten entscheiden, wo der Schacht gegraben werden sollte. Und sie beschlossen, es 137 Fuß vom Turm entfernt zu platzieren, wo die Waffe abgefeuert werden sollte. Sie haben sich dafür entschieden, weil die Feinstrukturkonstante [eine fundamentale Konstante, die sich auf die Stärke der elektromagnetischen Kraft bezieht] 1 ⁄ 137 beträgt. Aber sie wussten, dass es etwas zu leichtsinnig war, dies in die Beschreibung des Experiments zur Genehmigung durch Los Alamos aufzunehmen. So fanden sie das metrische Äquivalent, das ungefähr 40 Meter betrug. Sie machten daraus einen Insider-Witz.

Als sie dann in South Carolina das Experiment durchführten, bei dem das Neutrino tatsächlich entdeckt wurde, bauten sie all diese Abschirmungen auf, um zu sehen, ob sie das Signal modulieren könnten, und fügten zusammen mit der Abschirmung ein Pfund Maiskörner hinzu. Ich glaube, ich romantisiere meinen Großvater als diesen lustigen Kerl, und das hat sich konkretisiert. Man kann diesen Sinn für Humor und diesen Sinn für Spaß bei dieser sehr ernsten Aktivität sehen, die sie ausübten.

Clara Moskowitz ist leitende Redakteurin bei Scientific American, wo sie sich mit Weltraum und Physik befasst. Bildnachweis: Nick Higgins

Die Herausgeber

Rina Diane Caballar

Archon Fung, Lawrence Lessig und The Conversation US

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Flora Lichtmann

Lauren J. Young