Wie Francis Halzen mit einem Eiswürfel den Physiknobelpreis gewann

Den Himmel über Vorarlberg verstehen, so lautet das Motto dieser Serie. Über viele Phänomene der Astronomie gerät man ins Staunen. Aber die Tatsache, dass in jeder Sekunde zehn Milliarden Teilchen jeden Quadratzentimeter unseres Körpers durchdringen, ist kaum zu glauben. Zudem spüren wir nichts davon. Man könnte fast meinen, diese Geisterteilchen, wie sie auch genannt werden, existieren gar nicht. Dennoch gilt die Erforschung von kosmischen Neutrinos heute als eigener Zweig der Astrophysik.

Ein Eiswürfel am Südpol

Neutrinos treten mit normaler Materie fast nie in Kontakt. Man benötigt daher große Massen, um einzelne Neutrinos nachzuweisen. Der belgische Astrophysiker Francis Halzen schlug 1988 vor, in einem einen Kubikkilometer großen Eiswürfel die Auswirkungen von Neutrinos auf Wassermoleküle zu überprüfen. Trotz eigener Zweifel, ob Signale messbar sein werden, verfolgte Halzen sein Ziel unbeirrt. 1992 gab es die ersten Pläne für den IceCube in der Antarktis. 2011 ging das Observatorium in Betrieb. Mehr als 5000 lichtempfindliche Sensoren wurden im Eis eingefroren. Trifft ein Neutrino auf ein Wassermolekül, entstehen elektrisch geladene Teilchen, die mit hoher Geschwindigkeit durch das Eis rasen. Entlang ihrer Bahn erzeugen sie ein bläuliches Licht, das die Sensoren registrieren. Daraus lassen sich Energie und Flugrichtung der Neutrinos bestimmen.

Für die Entwicklung des IceCubes und den Nachweis von extrem energiereichen Neutrinos aus weit entfernten, aktiven Galaxien wurde Francis Halzen Anfang Oktober der Nobelpreis zugesprochen. Es war der erste Physiknobelpreis seit 1992, der an eine einzelne Person verliehen wurde. Mit seiner Leistung gilt Halzen als Begründer der Multimessenger-Astronomie, bei der nicht nur elektromagnetische Wellen, sondern auch Neutrinos von ein und demselben Objekt analysiert werden können. Ein Detektor mit einem achtmal größeren Eiswürfel soll in wenigen Jahren den Betrieb am Südpol aufnehmen.

Was sind Neutrinos?

Bei einem radioaktiven Zerfall von Atomkernen (Betazerfall) schien es, als würde die Energieerhaltung, ein Grundsatz der Physik, verletzt. Um dieses Malheur zu beseitigen, postulierte der österreichische Physiker Wolfgang Pauli 1930 ein neutrales, fast masseloses Teilchen, das später Neutrino genannt wurde. Er bezweifelte, dass es jemals entdeckt werden könnte. Erst 26 Jahre später wiesen Clyde Cowan und Frederick Reines in einem Kernreaktor das Neutrino nach. Reines erhielt 1995 dafür den Nobelpreis, sein Mitentdecker lebte damals nicht mehr. 1962 wurden insgesamt drei Arten von Neutrinos entdeckt. Ende der 1990er Jahre wurde bemerkt, dass sich die Neutrinoarten ineinander umwandeln können. Das ist nur möglich, wenn Neutrinos zumindest eine kleine Masse besitzen. Auch für diese Entdeckungen wurden 1988 und 2015 Physiknobelpreise verliehen.

Die meisten Neutrinos, die uns auf der Erde durchdringen, stammen von Kernprozessen im Inneren der Sonne. Auch von der Supernova 1987A wurden Neutrinos nachgewiesen. Raymond Davis und Masatoshi Koshiba gelten mit ihren Forschungen über die Sonne und die Sternexplosion als Gründer der Neutrinoastronomie und erhielten 2002 den Nobelpreis für Physik.

Heuer wurde der fünfte Nobelpreis für Neutrinoforschungen an Francis Halzen vergeben. Mit dem Nachweis von wenigen hochenergetischen Neutrinos können Prozesse im fernen Universum besser untersucht werden. Mark Pearce vom Nobelkomitee für Physik betont, dass Halzen den Weg für eine neue Art der Astronomie geebnet hat.

Robert Seeberger