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| Teilchen- und Quantenphysik: Grundbausteine der Materie - Neutrinos |
| Besuch im japanischen Super-Kamiokande-Detektor (Teil 1) |
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Die Neutrino-Falle aus reinem Wasser
Kaum ein Elementarteilchen kommt im Universum häufiger vor als das schwer zu fassende Neutrino. Die Erforschung des fast masselosen Winzlings ist ein Schwerpunkt der aktuellen Elementarteilchenphysik. Den vielleicht wichtigsten Beitrag zum Verständnis des Neutrinos leistet seit gut zwanzig Jahren der japanische Super-Kamiokande-Detektor, an dem mehrere Schweizer Forschergruppen mitwirken.
Ein Besuch im japanischen Bergland.
Das Dorf Kamioka liegt rund 250 km nordwestlich von Tokio, eingebettet in die Berge der nördlichen japanischen Alpen.
In der Gegend wurden bis vor wenigen Jahren Zink und andere Erze abgebaut. Obwohl der Bergbau unterdessen ruht, herrscht in den Stollen weiterhin reges Treiben. Um mehr zu erfahren, besteigen wir in Kamioka den Bus und folgen einer kurvenreichen Strasse. Im Talgrund schäumt der Takahara-Fluss, die Bergflanken sind von dichtem Wald überzogen. Nach einer halben Stunde stoppt der Busfahrer, der wie in Japan üblich Mütze und weisse Handschuhe trägt, an der Haltestelle Mozumi. Hier steht neben einer kleinen Tempelanlage eines der renommiertesten Forschungslabore der weltweiten Teilchenphysik: das Kamioka-Observatorium.
Ein Leben für die Neutrino-Forschung
Auf der Treppe zum Eingang wartet ein Mann mit freundlichem Augen auf den Besucher. Im Entrée tauschen wir die Strassenschuhe gegen grüne Pantoffeln. Es sind nur wenige Schritte in das geräumige Büro von Masayuki Nakahata. Nakahata ist Direktor des Kamioka-Observatoriums und zugleich Professor am 'Institut für die Erforschung kosmischer Strahlung' der Universität Tokio. Der 60jährige Wissenschaftler hat allen Grund, stolz zu sein auf seine Arbeit. Er ist mit dem Kamioka-Observatorium verbunden, seit hier Mitte der 1980er Jahre ein Neutrino-Detektor gebaut wurde. Seine Biografie ist eng verknüpft mit den wissenschaftlichen Erfolgen dieser Forschungseinrichtung.
Der erste dieser Erfolge zeigt sich am 23. Februar 1987. Mit dem kurz zuvor erbauten Detektor wurden Neutrinos gemessen, die von der Explosion eines 160'000 Lichtjahre entfernten Sterns (Supernova) stammten. Niemand vorher hatte solche 'kosmischen' Neutrinos nachgewiesen - eine wissenschaftliche Sensation. "Seither ist unser Detektor weltweit ein Begriff", sagt Nakahata, damals hauptverantwortlich für die Datenanalyse der Beobachtung, die dem verantwortlichen Physiker Masatoshi Koshiba 2002 den Physik-Nobelpreis einbrachte.
Schweizer forschen in Japan
Das war nur das erste aus einer Reihe von wissenschaftlichen Glanzlichtern, mit denen das Kamioka-Observatorium in den nächsten Jahren aufwarten sollte: 1989 wurden hier erstmals Neutrinos beobachtet, die ihren Ursprung in der Sonne haben. 1998 dann gelang dem japanischen Physiker Takaaki Kajita an 'atmosphärischen' Neutrinos, die beim Aufprall der kosmischen Strahlung in der Erdatmosphäre entstehen, der Nachweis, dass sich die drei Arten von Neutrinos ineinander verwandeln können ('Oszillation'), wofür er 2015 mit dem Nobelpreis geehrt wurde.
Seither ist klar, dass Neutrinos eine Masse haben (die allerdings kaum mehr als der Millionste Teil der Masse eines Elektrons beträgt), auch wenn heute noch nicht alle Fragen rund um die Masse der drei Neutrino-Arten geklärt sind.
2009 ging dann das T2K-Experiment( «T2K» steht für «Tokai to Kamiokande») in Betrieb: Hierbei werden an der japanischen Südküste erzeugte Neutrinos 295 km quer durch Japan nach Kamioka geschossen und dort mit dem Detektor eingefangen. Mit diesem Experiment, an dem auch Forscher der Universitäten Bern und Genf sowie der ETH Zürich beteiligt sind, konnte im Jahr 2011 erstmals die Oszillation von Myon- zu Elektron-Neutrinos gezeigt werden, womit nun auch die letzte der drei heute bekannten Neutrino-Oszillationen experimentell nachgewiesen war.
Ein ganz besonderer Wassertank
Masayuki Nakahata führt seinen Besucher von seinem Büro hinaus auf den Parkplatz. Nach einer zehnminütigen Autofahrt erreichen wir die Südflanke des 1'369 Meter hohen Ikenoyama-Berges. Ein 1,7 km langer Tunnel führt hinein in den Berg. Ausgerüstet mit Helm und Crocks betreten wir eine Felskaverne. 13 Grad Celsius beträgt hier die Temperatur. Über unseren Köpfen lastet eine 1000 Meter dicke Gesteinsschicht, welche die kosmische Strahlung um einen Faktor 1 zu 100'000 abschwächt. "Wir sind nun über dem Tank", sagt Teilchenphysiker Nakahata. Der "Tank", vom dem der Forscher spricht, ist der Super-Kamiokanda-Detektor. 'Super-KamiokaNDE' steht für 'Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment'. Es ist das Experiment, das die japanische Neutrino-Forschung in den gut 20 Jahren seit der Inbetriebnahme 1996 massgeblich geprägt hat.
Der Detektor ist in der Lage, einen - sehr geringen! - Teil der Neutrinos, die hier vorbeikommen, nachzuweisen. Dazu dient ein 41 Meter hoher Stahlzylinder mit 39 Metern Durchmesser, gefüllt mit 50 Millionen Litern Wasser.
Trifft ein Neutrino in einem H2O-Wassermolekül auf den Kern oder das Elektron eines Wasserstoff- oder Sauerstoffatoms, wird ein Elektron oder ein Myon aus dem Atom "herausgeschlagen". Ist dieses Elektron oder Myonschnell genug - nämlich schneller als die Lichtgeschwindigkeit in Wasser! - wird ein schwaches blaues Licht abgestrahlt (Tscherenkow-Strahlung), das von den insgesamt 13'000 Fotosensoren aufgezeichnet wird, mit denen der Wassertank ausgekleidet ist. Professor Nakahata führt den Besucher in den benachbarten Kontrollraum.
Auf einem Bildschirm sind die aktuellen Messungen der Fotosensoren durch farbige Punkte repräsentiert. Aus dem Muster der Bildpunkte können die Physiker ableiten, welche Art von Teilchen sie beobachtet haben und aus welcher Richtung es kam: Myon-Neutrinos haben eine klare, ringförmige Kontur, Elektron-Neutrinos hingegen eine verschwommene. Neutrinos solaren Ursprungs haben eine 100 mal tiefere Energie als atmosphärische Neutrinos; sie sind am geringen Radius ihres ringförmigen Umrisses erkennbar.
Faszinierende Bilder für die Öffentlichkeit
Es sind faszinierende Muster, welche von den Neutrino-Ereignissen auf den Bildschirm des Super-Kamiokande gezaubert werden. Bilder, die von Elementarteilchen erzählen, die der Sinneswahrnehmung der Menschen sonst nicht zugänglich sind. Es war deshalb eine tolle Idee, diese Bilder auch Menschen ausserhalb der Forscher-Gemeinde zugänglich zu machen. Im März 2019 wurde im 15 km entfernten Kamioka ein kleines, aber feines Wissenschaftsmuseum eröffnet. Dorthin werden die Bilder dieser sonst verborgenen Welt in Echtzeit übertragen. Darüber hinaus erzählt des Museum mit interaktiven Exponaten von den schwer fassbaren Neutrinos. 100'000 Besucherinnen und Besucher haben sich in den ersten sechs Monaten von der Faszination der Neutrinoforschung anstecken lassen.
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| Quelle: Text Benedikt Vogel, Swiss Institute of Particle Physics (CHIPP), 11. November 2019 |
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| Besuch im japanischen Super-Kamiokande-Detektor (Teil 2) |
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Grosse Fragen rund um die kleinen Neutrinos
In tiefen Stollen ehemaliger Bergwerke nahe der japanischen Alpen erforschen Wissenschaftlerteams mit Schweizer Beteiligung verschiedene Arten von Elementarteilchen. In den nächsten Jahren nehmen leistungsfähige Forschungsinstrumente den Betrieb auf, mit welchen die Wissenschaftler das Wesen der Neutrinos ergünden wollen. Die erhofften Ergebnisse könnten zur Lösung schwieriger Fragen in unserem Verständnis des Universums führen.
Überall auf der Welt gibt es Berge, die von langen Stollensystemen durchlöchert sind. In der Schweiz denkt man an den Gotthard mit seinen militärischen Anlagen aus der Kriegszeit. Wer im nördlichen Teil der japanischen Alpen unterwegs ist, der trifft im Ikenoyama-Berg auf ein Stollenlabyrinth ganz anderer Art: Hier gibt es- durch eine 1'000 Meter starke Felsschicht von kosmischer Strahlung und anderen störenden Einflüssen geschützt - einen Ansammlung von physikalischen Labors. Zwei dieser Experimente wollen der Dunklen Materie auf die Schliche kommen, ein Experiment untersucht Gravitationswellen, und ein weiteres den doppelten Betazerfall. Und dann gibt es zwei Versuchsanlagen zur Beobachtung von Neutrinos, jener Klasse von ungeladenen, fast masselosen Elementarteilchen, die in drei Arten vorkommen und die sehr schwer nachweisbar sind, weil sie kaum mit Materie wechselwirken.
Auf der Suche nach fernen Supernovae
Eines dieser beiden Neutrinoexperimente ist der weltweit bekannte Super-Kamiokande-Detektor. Seit seiner Inbetriebnahme 1996 hat Super-K, wie Physiker den Detektor oft nennen, das Verständnis der Neutrinos grundlegend vorangebracht. In den kommenden Monaten soll er nun nochmals aufgerüstet werden für seine wohl letzte Mission: Er soll jene Neutrinos aufspüren, welche ihren Ursprung in der Explosion von kollabierenden Sternen (Supernovae) haben. Physiker sprechen von 'Supernovae-Relikt-Neutrinos' (SRN), manchmal auch vom 'Diffusen Supernova Neutrino Background' (DSNB). Der Super-Kamiokande kann solche Neutrinos zwar auffangen. Das Problem ist aber, dass Wissenschaftler diese Neutrinos nicht von Neutrinos aus solaren oder anderen galaktischen Quellen unterscheiden können.
Dies möglich zu machen, ist das Ziel des anstehenden Gadolinium-Projekts: Dem Wassertank, aus dem der Super-Kamiokande im Wesentlichen besteht, soll im Frühjahr 2020 nun 0,1% Gadolinium zugesetzt werden. Gadolinium ist ein Metall der seltenen Erden, das 1880 vom Schweizer Chemiker Jean Charles Galissard de Marignac entdeckt worden war. Der so aufgerüstete Gadolinium-Detektor wird es gemäss Berechnungen möglich machen, in den nächsten fünf Jahren insgesamt ca. 4 bis 20 SRN - es handelt sich dabei um Anti-Elektron-Neutrinos - zu identifizieren. Trotz der geringen Zahl versprechen diese SRN wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse: Diese Neutrinos wären ein neues Mittel zur Beobachtung von Supernovae- nicht nur von solchen, die in der Milchstrasse stattgefunden haben, sondern auch von aussergalaktischen Supernovae, die mit viel grösserer Häufigkeit auftreten.
Nachweis der CP-Verletzung
Der Super-Kamiokande verspricht in den nächsten Jahren also nochmals aufregende Erkenntnisse. Trotzdem ist nicht zu übersehen, dass der in den frühen 1990er Jahren konzipierte Detektor heute an seine Grenzen stösst. Und das aus einem einfachen Grund, den man auch von anderen Experimenten der modernen Teilchenphysik kennt: Wissenschaftliche Erkenntnisse werden in der heutigen Grundlagenphysik oft über die statistische Auswertung von sehr vielen Einzelereignissen gewonnen. Je höher die Zahl dieser Ereignisse, desto genauer sind der Ergebnisse. Dies gilt auch in der Neutrinophysik bei der Frage der sogenannten CP-Verletzung.
CP-Verletzung bedeutet, dass Oszillationen von Neutrinos unterschiedlich häufig stattfinden, wenn man sie mit den Oszillationen ihrer Antiteilchen vergleicht. Besteht diese Ungleichheit, wäre das möglicherweise der Schlüssel zur Beantwortung der grundlegenden Frage, warum das Universum heute praktisch nur aus Materie besteht, obwohl beim Urknall gleich viel Materie und Antimaterie entstanden sein muss.
Das T2K-Experiment, in welchem Neutrinos aus dem J-PARC-Beschleuniger in Tokai an der japanischen Ostküste mit dem Super-Kamiokande detektiert werden, hat 2017 experimentelle Daten veröffentlicht, die darauf hinweisen, dass bei Neutrinooszillationen tatsächlich eine CP-Verletzung gegeben ist. Um für diese erste Beobachtung aber wissenschaftliche Gewissheit zu erlangen, braucht es mehr experimentelle Daten, die nur ein neuer, grosser Neutrinodetektor liefern kann. "Wir brauchen einen grösseren Detektor. Er wird etwa zehnmal grösser sein als der Super-Kamiokande, somit wird er in zehn Jahren soviel Daten liefern, auf die wir mit dem Super-Kamiokande 100 Jahre warten müssten", sagt Prof. Masayuki Nakahata. Der japanische Neutrinophysiker ist Direktor des Kamioka Observatoriums, welches den Super-Kamiokande betreibt.
Mikroskop und Teleskop zugleich
Der Super-Kamiokande-Detektor ist das Herzstück des T2K-Experiments, mit dem eine weltweite Forscherkollaboration unter Teilnahme der Schweiz die Oszillationen von Neutrinos und Antineutrinos untersucht. Der Nachfolge-Detektor wird 'Hyper-Kamiokande' heissen (kurz: 'Hyper-K'). Er soll acht Kilometer vom Super-Kamiokande entfernt in einem Felsmassiv errichtet werden, in dem früher Zink und andere Erze abgebaut wurden.
Der Bau des Hyper-K beginnt im Frühjahr 2020, nach der für Dezember oder Januar erwarteten definitiven Finanzierungszusage durch das japanische Finanzministerium. Die Erfassung von Daten soll dann in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts beginnen.
Geplant ist ein Tank, der nach dem Prinzip des Super-Kamiokande funktioniert, der aber rund fünfmal mehr Wasser enthalten wird (260'000 Tonnen statt 50'000 Tonnen) und mit deutlich mehr Fotosensoren ausgerüstet ist (40'000 statt 11'000, welche zudem eine zweimal bessere Sensitivität haben als die gegenwärtigen).
Auf der Hyper-K-Webseite wird das neue Forschungsgerät mit folgenden Worten beschrieben: "Der Hyper-Kamiokande-Detektor ist sowohl ein 'Mikroskope', mit dem sich Elementarteilchen beobachten lassen, als auch ein'Teleskop' für die Beobachtung der Sonne und von Supernovae mittels Neutrinos."
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Ein zweites wissenschaftliches Ziel des Hyper-K neben der CP-Verletzung ist die Suche nach dem Protonenzerfall. Gemeint ist damit die experimentelle Bestätigung der Hypothese der 'Grossen Vereinheitlichten Theorie' (GUT), wonach Protonen zerfallen können (allerdings mit einer extrem langen Halbwertzeit von mehr als 1034 Jahren, der aktuellen Limite, die durch Super-K gesetzt wurde). Der Hyper-K-Detektor wird den Protonenzerfall entweder entdecken oder die aktuelle Limite um einen Faktor 5 bis 10 weiter hinausschieben. Mit diesem Ziel kehrt der Hyper-K quasi an den Ursprung der Teilchenphysik-Forschung am Standort Kamioka zurück: Der erste Detektor war dort in den frühen 1980er Jahren gebaut worden mit dem Ziel, den Protonenzerfall experimentell nachzuwiesen.
Der Traum von der gemeinsamen Teilchenfamilie
Prof. Nakahata hofft, dass der Protonenzerfall mit dem Hyper-K beobachtet werden wird: "Ich glaube, dass man den Protonenzerfall finden und damit zeigen kann, dass eine Verbindung zwischen den zwei Teilchenklassen der Hadronen (darunter das Proton) und Leptonen (darunter das Positron) besteht. Dass also das Proton- das leichteste Hadron zu einem positiven Elektron (Positron) dem leichtesten Lepton- zerfallen kann. So könnten wir zeigen, dass das Proton und das Elektron, die ja die selbe Ladung tragen, zur gleichen Teilchenfamilie anhören."
Swiss Institute of Particle Physics (CHIPP)
Das Swiss Institute of Particle Physics CHIPP ist die Dachorganisation der Schweizer Forschenden auf dem Gebiet der Teilchen-, Astroteilchen- und Kernphysik. Zu den Aufgaben von CHIPP gehören die Koordination und Unterstützung von Schweizer Beteiligungen an internationalen Projekten und in internationalen Gremien, die Koordination der nationalen Forschungs- und Ausbildungsbestrebungen, sowie die Öffentlichkeitsarbeit.
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| Quelle: Text Benedikt Vogel, Swiss Institute of Particle Physics (CHIPP), 18. November 2019 |
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