Nobelpreis für Physik 2015

Der Nobelpreis für Physik 2015 geht an Takaaki Kajita von der University of Tokyo in Japan und Arthur B. McDonald von der Queen’s University in Kanada „für die Entdeckung der Neutrinooszillation, die zeigt, dass Neutrinos Masse besitzen“.

Arthur B. McDonald und Takaaki Kajita

Damit ehren die Königlich Schwedische Akademie und das Nobelpreiskomitee den Beitrag der beiden Forscher zu Experimenten, in denen sich erstmals nachweisen ließ, dass sich Neutrinos – die in drei verschiedenen Typen vorkommen – ineinander umwandeln können. Die sogenannte Neutrinooszillation ist nur möglich, wenn diese Elementarteilchen unterschiedliche Massen besitzen. Akademie und Komitee sehen darin eine Entdeckung, die das Verständnis von Materie und Universum grundlegend verändert hat.

Im Jahr 1998 zeigte ein Team um Takaaki Kajita, dass Neutrinos sich auf ihrem Weg von der Atmosphäre zum Super-Kamiokande-Detektor in Japan von einem Myon-Neutrino in einen anderen Typ umwandeln. Die untersuchten Neutrinos entstehen, wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft. In Kanada beschäftigte sich eine Forschergruppe um Arthur B. McDonald mit Elektron-Neutrinos, die in der Sonne erzeugt werden. 2001 konnten die Wissenschaftler mit dem Sudbury Neutrino Observatory nachweisen, dass diese Neutrinos ebenfalls Oszillationen unterworfen sind.

Neutrinooszillation

Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt keine Masse für Neutrinos voraus. Um sich ineinander umwandeln zu können, müssen Neutrinos allerdings eine Massendifferenz aufweisen. Somit widersprechen die gewonnenen Erkenntnisse dem Standardmodell und stellen eine „neue Physik“ in Aussicht, die bisherige Widersprüche in den physikalischen Theorien lösen könnte.

Schon in den 1960er-Jahren zählten Forscher die von der Sonne eintreffenden Neutrinos, die bei Kernreaktionen in der Sonne entstehen. Doch es ließ sich nur ein Bruchteil der vorhergesagten Elektron-Neutrinos messen. Zunächst zweifelten die Wissenschaftler an ihren experimentellen Methoden oder den theoretischen Sonnenmodellen. Inzwischen weiß man, dass etwa zwei Drittel der Elektron-Neutrinos von der Sonne auf der Erde als Myon- oder Tau-Neutrino ankommen. Diese Oszillationen konnten McDonald und Team im kanadischen Sudbury Neutrino Observatory nachweisen.

Ähnlich verhält es sich mit Myon-Neutrinos aus der Atmosphäre, die aus verschiedenen Himmelsrichtungen den japanischen Super-Kamiokande-Detektor erreichen. Hier konnten die Wissenschaftler um Kajita mehr Myon-Neutrinos messen, die auf direktem Weg von oben kommend in den Detektor treffen, als die von unten, die vorher den gesamten Erdball durchqueren mussten. Eigentlich sollte die Anzahl aber gleich sein. Die Diskrepanz erklärten die Forscher dadurch, dass die von unten kommenden Neutrinos einen längeren Weg und daher auch mehr Zeit hatten, um sich umzuwandeln. Daher waren sie im Detektor nicht mehr als Myon-Neutrinos nachweisbar. Im Juni dieses Jahres konnten Forscher dann beim OPERA-Experiment in Italien die Umwandlung von Myon- zu Tau-Neutrinos in einer direkten Messung bestätigen.