Geschichte der Astroteilchenphysik

Die Astroteilchenphysik in ihrer heutigen Form gilt als eine junge Disziplin, die sich seit Ende der 1980er Jahre entwickelt hat. Doch ihr Forschungsansatz ist schon weitaus älter. Seit fast hundert Jahren versuchen Wissenschaftler bereits mit Hilfe der Strahlung aus dem All etwas über die Strukturen der Materie im Kleinen und den Strukturen des Universums im Großen in Erfahrung zu bringen.

Das ausgehende 19. und beginnende 20. Jahrhundert war Zeuge einer Reihe von bahnbrechenden naturwissenschaftlichen Entdeckungen, wie die der Röntgenstrahlung und der Radioaktivität. Diese neuen und spannenden Teilgebiete der Physik zogen viele Forscher an, die sich mit den verschiedenen Teilaspekten der gerade entdeckten Phänomene befassten. So stießen im Jahr 1900 Julius Elster und Hans Geitel sowie Charles T. R. Wilson unabhängig von einander auf das Problem der Ionisation von Luft. Sie hatten beobachtet, dass geladene Gegenstände ihre Ladung an der Luft verlieren, obwohl Luft eigentlich ein guter Isolator ist. Eine plausible Erklärung schien die Annahme zu sein, dass ionisierende Strahlen, wie die der radioaktiven Strahlung, für diese Entladung sorgten. Als eigentliche Schwierigkeit stellte sich jedoch die Frage nach der Herkunft der Strahlen heraus. Denn selbst wenn man alle denkbaren unmittelbaren Quellen von Radioaktivität, wie zum Beispiel eine Verunreinigung der verwendeten Materialien, in Betracht zog, blieb doch ein scheinbar unerklärbarer „Resteffekt“ bestehen.

Ballonaufstieg von Victor Hess um 1912

Als mögliche Ursache hierfür wurde das Vorhandensein radioaktiver Substanzen im Gestein der Erde angenommen. Frühe Überlegungen, ob nicht auch Strahlung aus dem Weltraum für das Phänomen verantwortlich sein könne, setzten sich zunächst nicht durch.  Doch im Jahr 1912 sollte sich das ändern. Verschiedene Versuche hatten bereits beweisen sollen, dass die Strahlen aus der Erde kamen und daher in großer Höhe abnahmen. Als jedoch Victor Franz Hess 1912 eine Reihe von Messungen zum Resteffekt auswertete, die er bei mehreren Ballonfahrten aufgenommen hatte, zeigte sich, dass dieser Effekt nur bis zu einer gewissen Höhe abnahm, um dann merklich anzusteigen: Die Strahlen kamen aus dem Weltraum. Und obwohl es noch einige Jahre dauerte, bis die Idee der kosmischen Strahlung allgemein anerkannt war, gilt das Jahr 1912 seitdem als ihr Entdeckungsjahr. Hess erhielt 1936 zusammen mit Carl David Anderson den Nobelpreis für Physik.

Der Entdeckung der zunächst so genannten „Höhenstrahlung“ folgten weitere. 1913 konnte Werner Kolhörster Hess' Ergebnisse in eigenen Ballonexperimenten bestätigen. Der Ausbruch des Ersten Weltkrieges im Folgejahr hemmte für einige Zeit Fortschritte in der Erforschung des Phänomens der kosmischen Strahlung. Doch eine Arbeit von Walther Nernst über die spekulative Herkunft der Strahlung aus Zerfällen von Sternen brachte 1921 das Thema zurück in die Forschungsdebatte. Allmählich begann sich der Gedanke zu etablieren, dass es sich bei den sogenannten „Cosmic Rays“ um geladene Teilchen handele. Es war schließlich Robert A. Millikan, der 1926 nach einer Reihe von Experimenten über die Natur der kosmischen Strahlung schloss, es gäbe „quite unambigious evidence for the existence of very hard etherial rays of cosmic origin entering the earth uniformly from all directions“.

Observatorium auf der Zugspitze

Die Annahme, bei dieser harten Strahlung handele es sich um Teilchen, bestätigte sich 1927, als zufällig erstmals die Aufnahme einer Teilchenspur, die eindeutig kosmischen Ursprungs war, gelang. 1932 wurde schließlich das Positron entdeckt. Obwohl es von Paul Dirac bereits theoretisch vorhergesagt worden war, stieß Anderson nur durch Zufall auf eine Spur dieses Teilchens bei Experimenten mit einer Nebelkammer. Die Anfänge der modernen Teilchenphysik begründen sich also auch auf Forschungsansätze der frühen Physik der kosmischen Strahlung. Nicht nur auf der experimentellen Ebene gab es bis zum Zweiten Weltkrieg Fortschritte zu verzeichnen, sondern auch die Theoretische Physik profitierte von der Beschäftigung mit der kosmischen Strahlung. So berechneten Mitte der 1930er Jahre östliche und westliche Forscher unabhängig von einander die Existenz weiterer bis dahin unbekannter Elementarteilchen, die später als Myonen und Pionen bekannt wurden und experimentell nachgewiesen werden konnten. Der Vorläufer der Astroteilchenphysik beinhaltete damit bereits viele der Aspekte, die sich heute wieder in ihr vereint zu haben scheinen.

Grundlage der weitreichenden Forschungsarbeiten war eine Vielzahl technischer Weiterentwicklungen, die unterschiedliche Konsequenzen für die Zukunft der Astroteilchenphysik hatten. So wurden vor allem die verschiedenen Messinstrumente entscheidend verbessert, so dass unter immer extremeren Bedingungen noch zuverlässige Daten gesammelt werden konnten. Bemannte und unbemannte Ballonfahrten etwa konnten in immer größeren Höhen durchgeführt werden, da die benötigten Apparate immer leichter wurden und den besonderen Bedingungen angepasst wurden. Dies führte zum einen dazu, dass sich die Forschung der kosmischen Strahlung mehr und mehr etablierte, durch präzisere Forschungsergebnisse. Zum anderen scheinen damit auch erste Schritte auf dem Weg zur modernen Raumfahrt gemacht worden zu sein.

Die technischen Neuerungen waren es jedoch auch, die der frühen Physik der Höhenstrahlung eine langanhaltende Krise bescherten, denn seit den 1930er Jahren gab es eine neue Methode der Detektion von Elementarteilchen: den Teilchenbeschleuniger.

Strahlungsmessung in einem Stollen

1929 war von Ernest Lawrence das Zyklotron, ein Elektronenbeschleuniger, entwickelt worden. Diese Erfindung wurde stetig weiter ausgebaut, sodass vor allem seit den 1950er Jahren Teilchenbeschleuniger als die Quelle für die Entdeckung neuer Teilchen galten. Damit einher ging natürlich auch eine Erweiterung des theoretischen Wissens um die Entstehungsprozesse von Teilchen, zum Beispiel durch Teilchenzerfall. Die Beschleunigerphysik sollte eine dominante Rolle für die kommenden Jahrzehnte spielen. Hier gibt es einen Zusammenhang zu einem allgemeinen starken Interesse an teilchenphysikalischen Phänomenen, wie etwa der zivilen und militärischen Nutzung von Kernkraft. Auch eine weitere Teildisziplin, deren Anfänge eng mit der frühen Erforschung der kosmischen Strahlung verknüpft waren, die Raumfahrt, lenkte das öffentliche Interesse auf ihre ganz eigenen Forschungsschwerpunkte.

Dennoch gab es bereits zu einem frühen Zeitpunkt mahnende Stimmen, die darauf hinwiesen, dass Teilchen, die aus dem Weltall kommen, teilweise weit höhere Energien aufweisen, als künstliche Beschleuniger jemals erzeugen können. Tatsächlich erreichten viele Beschleuniger ihre Leistungsgrenzen und befinden sich zurzeit in einer Phase des Ausbaus und der Umstrukturierung. 1987 gab es die ersten Bemühungen, die unterschiedlichen Teile, in die sich die Anfänge der Erforschung der Höhenstrahlung aufgeteilt hatte, wieder in einer Disziplin zusammen zu führen. In diesem Jahr fand auf Sizilien die „1. International School on Astroparticle Physics“ statt. Der Untertitel der gedruckt herausgegebenen Vorträge lautete: „A Unified View of the Macro- and the Micro-Cosmos“ und zeichnete bereits den Weg einer sich (wieder-) vereinigenden Teilchen- und Astrophysik ab. Es sollte jedoch noch eine Weile dauern, bis sich der Begriff „Astroteilchenphysik“ dafür endgültig durchsetzte.

Unterwassermessungen im Bodensee

Seit den 1980er Jahren ist die neue Astroteilchenphysik nun wieder stärker in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Ihre Etablierung lässt sich auch an äußeren Kriterien, wie der Zubilligung des Status als eigenständiger Förderbereich beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Jahre 1999, festmachen. Heutzutage untersuchen Forscher nicht mehr nur die Zusammensetzung der kosmischen Strahlung selbst, sondern versuchen auch, Aussagen über die Beschaffenheit der Strahlungsquellen zu machen. Denn man geht davon aus, dass die Teilchen, welche die Erde erreichen, wie etwa Neutrinos, Photonen und Kerne, von sogenannten „kosmischen Beschleunigern“, zum Beispiel Supernova-Explosionen, ausgesandt werden. Bei der Erklärung, wie die Teilchen auf ihre hohen Energien beschleunigt und produziert werden, kann nun auf die Ergebnisse der klassischen Teilchen- und Hochenergiephysik zurückgegriffen werden.

Die unterschiedlichen Entwicklungsphasen der Astroteilchenphysik sind recht ungewöhnlich für eine naturwissenschaftliche Disziplin, so dass es gewagt wäre eine Prognose für zukünftige Entwicklungen zu geben. Denkbar wäre allerdings, dass sich weitere Teilaspekte der Physik, die sich über die Zeit herausgebildet haben, wieder vereinen werden. Diese Aspekte der Vereinheitlichung machen die Astroteilchenphysik auch zu einem interessanten Forschungsgebiet für Wissenschaftstheoretiker und Philosophen, die sich mit Fragen der Einheit und Fragmentierung der Wissenschaften, insbesondere der Physik, auseinandersetzen.