Im Nordwesten Zentraljapans, in der trockenen, kühlen Stille tief unter einem Bergmassiv, lauern Teilchenphysiker auf die Sendboten aus den Tiefen des Alls. In den Tunneln und Stollen einer stillgelegten Mine stehen die riesigen Detektoren des Kamioka-Observatoriums. Es ist eines von nur einer Handvoll Neutrino-Experimente dieser Größenordnung auf der Welt. Paula Denner war zu Experimenten dort. Hier ihre Reportage.

Als ich Mitte September in Mozumi, einem kleinen Dorf nahe dem Eingang zur Kamioka-Mine, eintreffe, regnet es in Strömen. Die Nacht zuvor war ein Taifun über Japan hinweggefegt und die Morgennachrichten waren voller Bilder von Überschwemmungen. Die Luft ist schwer vor Feuchtigkeit, die Sonne nicht zu sehen. Mit Helm und Lampe ausgestattet steigen mein japanischer Professor und ich in einen Jeep und fahren zum Eingang des Tunnels, der sich am Fuß des Berges öffnet und ebenerdig bis ins Zentrum des Berges führt.

Am Eingang stoppt mein Begleiter das Auto. „Wir müssen einchecken“, sagt er. „Der Computer registriert zu jeder Zeit, wo sich alle Forscher in der Mine befinden. Sobald wir im Tunnel sind, befinden wir uns im ‚Drift Mode‘. Falls wir den Detektor nicht in 30 Minuten erreicht haben, heißt es, dass uns im Tunnel etwas Unerwartetes passiert ist. Dann gibt das System Alarm, und der Wachmann macht sich auf die Suche nach uns.“

Ich ringe kurz mit einem zwiespältigen Gefühl, als wir das dürftige Tageslicht hinter uns lassen und der Jeep den Tunneleingang passiert: Einerseits beruhigt von der Weitsicht solcher Sicherheitsvorkehrungen, bin ich gleichermaßen beunruhigt angesichts ihrer Notwendigkeit. „Was kann einem auf der Fahrt in den Berg zustoßen?“, frage ich mich. Falls man zu Fuß in der Gegend um den Tunneleingang unterwegs ist, sollte man sich vor Bären und Affen in Acht nehmen, hat mir ein junger kanadischer Forscher geraten, aber der schwere Jeep vermittelt ein Gefühl von Sicherheit.

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Auf dem Weg zu meinem bisher ungewöhnlichsten Arbeitsplatz.
Foto: CC BY-NC-SA Paula Denner

Als ich die Stützkonstruktionen an der Tunneldecke sehe, wird mir dann wieder etwas mulmig. In den wissenschaftlichen Veröffentlichungen, die ich vor meiner Ankunft studiert habe, war von einer 1000 Meter dicken Felsdecke die Rede oder, wie es unter Neutrinophysikern umgerechnet wird, 2700 Meter Wasseräquivalent. Es ist ein Maß für die Qualität der Abschirmung, nach der der Standort eines Neutrinodetektors ausgewählt wird. Das liegt daran, dass die Natur der Neutrinos sich völlig von den Teilchen unterscheidet, die wir klassischerweise für astronomische Beobachtungen verwenden.

Eine Brille aus Felsgestein

Um einen großen Teil der Photonen abzublocken, die vom nächsten Stern zu uns gelangen, reichen zwei dünne, getönte Glasscheiben auf der Nase. Eine Sonnenbrille gegen Neutrinos hingegen müsste als Filter Felsscheiben von der Dicke eines Planeten fassen. Dies liegt daran, dass Neutrinos zweien der vier bekannten Kräfte im Universum gegenüber völlig blind sind. Sie tragen keinerlei elektrische Ladung und besitzen auch keine Farbladung, die die starke Kernkraft vermittelt.

Wie massiv Materie einem Teilchen erscheint, wird in der Physik als Wirkungsquerschnitt angegeben, einer effektiven, von den Wechselwirkungen erzeugten Fläche, die sich dem Teilchen entgegenstellt und in Einheiten von Barn (englisch für „Scheune“) angegeben wird. Während der Fels für die Photonen also wie ein breites Scheunentor aussieht, zielen die Neutrinos auf eine effektive Fläche von ein paar vereinzelten Briefmarken, die kaum getroffen wird und daher den Neutrinofluss ungeschwächt passieren lässt. Diese Eigenheit der Neutrinos bietet große Vorteile und gehört mit zu den Gründen, warum ich mich entschloss, mehr über sie herauszufinden.

Für Astronomie, die sich größtenteils auf die Analyse von Licht in allen Energiebereichen stützt, hatte ich nie die nötige Geduld. Ein Photon von entfernten Sternen oder Galaxien wird auf seinem Weg zur Erde vielfach gestreut und abgelenkt, absorbiert und re-emittiert. Es wird gebrochen und in seiner Energie verschoben und erscheint uns oft, wenn es dann auf der Erde eintrifft, als käme es aus einer völlig anderen Richtung als der, in der es eigentlich erzeugt wurde. Zum Verrücktwerden! Es ist, als betrachte man die Welt durch einen Nebel und in einem Zerrspiegel, ohne je ein unverfälschtes Bild zum Vergleich zu kennen. Ich fand diese Vorstellung als Studentin immer beklemmend – wie die Schattenwelt in Platos Höhlengleichnis.

Das Photon kann uns also mehr über die Effekte erzählen, denen es unterwegs unterworfen wird, was ebenfalls nützlich ist, wenn man den Inhalt des interstellaren Mediums erforschen will. Um rein und unverfälscht einen Stern zu betrachten, sind Neutrinos jedoch wesentlich verlässlicher, da wir sicher sein können, dass sie geradlinig und unbeeinflusst hier eintreffen.

Diese nützliche Qualität gereicht uns aber gleichermaßen wieder zum Nachteil, da die wechselwirkungsscheuen Neutrinos natürlich ebenso unbeeindruckt durch jeden von uns aufgestellten Detektor fliegen, ohne sich durch eine Reaktion am Detektormaterial zu verraten. Und die seltenen Fälle, in denen eine Reaktion stattfindet, gehen unter im Sturm der Signale anderer Teilchen, die bereitwilliger interagieren.

Die Lösung dieses Problems ergab sich schließlich als eine Kombination von riesenhaften Detektoren, die dem Neutrino viele Kilotonnen Material in den Weg stellen, und dem Aufsuchen abgeschirmter Orte wie der Kamioka-Mine, wo alle anderen Signale verstummen, sodass man das gelegentliche Aufblitzen eines Neutrinos im Detektor wahrnehmen kann.

50 000 Tonnen Wasser

Um eine möglichst große Zielfläche für die Neutrinos abzugeben, besteht der Super-Kamiokande-Detektor aus 50 000 Tonnen Wasser. Als sich meine Augen etwas an die Lichtverhältnisse im Tunnel angepasst haben, bemerke ich den schmalen Kanal, der parallel zu uns in den Berg führt. Darüber verlaufen dicke Rohrleitungen. Mein Begleiter zeigt darauf und meint: „Luft und Wasser. Wir holen beides von außerhalb der Mine, dann müssen wir es nicht mehr ganz so stark aufbereiten.“ Ich erinnere mich, einen türkisgrünen Stausee und einen glasklaren Fluss bei der Fahrt durch das Tal zum Mineneingang gesehen zu haben. Die Wasserqualität schien mir bemerkenswert und auch die Luft hier oben war ein Kontrast zu meinem kurzen Aufenthalt in Tokyo.

„Warum muss man die Luft aufbereiten?“, frage ich. „Wir haben die Luftleitungen eingebaut, um den Radongehalt in der Mine gering zu halten, so dass er modernen Gesundheitsstandards entspricht“, antwortet der Professor. „Für Menschen ist die Qualität der hereingeleiteten Luft und des Wassers völlig in Ordnung. Aber der Detektor ist sehr viel empfindlicher. Wir haben aufwändige Filteranlagen hier unten, die so gut wie radonfreie Luft und ultra-reines Wasser produzieren. So reines Wasser ist gar nicht mehr gesund; es ist sogar ziemlich aggressiv, fast ätzend. Das macht den Geräten, mit denen es in Kontakt ist, manchmal ziemlich zu schaffen.“

Jedes unerwünschte Atom im Detektormaterial, vor allem das strahlende Radon, sorgt für Untergrund und zusätzliche Zerfälle, die ein Neutrinosignal verdecken könnten, das habe ich verstanden. Aber etwas anderes lässt mich stutzen: „Wenn die Wissenschaftler die Luftleitungen eingebaut haben, wie stand es dann um die Gesundheitsstandards der Minenarbeiter, die hier jahrzehntelang gearbeitet haben?“, frage ich. Mein Begleiter lächelt etwas gequält und schüttelt nur abwehrend den Kopf. Kritik an japanischer Unternehmenspolitik zu üben, scheint einem Gaijin (japanisch für „Fremder“) weniger gut zu Gesicht zu stehen als wissenschaftliche Neugierde.

Auch Dunkle Materie wird hier erforscht

Circa fünfzehn Minuten holpert der Jeep den geraden Tunnel entlang, bis wir eine besser beleuchtete Verzweigung erreichen. Die erste Experimentierhöhle ist gleich die des Flaggschiffs Super-Kamiokande. Von meinem Sicherheitsbriefing weiß ich, dass der Tunnel sich hier in ein System verzweigt. Den Berg bevölkern mehrere Experimente und viele Forschergruppen, die sich alle die abgeschirmte Lage zunutze machen. Wo einst nach seltenen Erzen gegraben wurde, sucht man heute nach seltener Physik: Dunkle Materie, Gravitationswellen und Neutrinos.

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Schuhe aus! Auch noch unten in der Mine werden japanische Sitten eingehalten.
Foto: CC BY-NC-SA Paula Denner

Vor den Doppeltüren von Super-Kamiokande steigen wir aus und teilen dem Computersystem wieder unsere Position mit. Ich bin etwas erstaunt, als ich sehe, dass auch hier in der Mine wie in allen japanischen Innenräumen die Vorschrift geachtet wird, vor dem Betreten die Schuhe auszuziehen. In Hausschuhen betreten wir also die Experimentierräume. Sofort kommt uns ein aufgeregter junger Forscher in einem Overall entgegen. Sichtlich erleichtert durch das Eintreffen des älteren Wissenschaftlers gestikuliert er und redet in schnellem Japanisch auf ihn ein. Durch den Taifun letzte Nacht muss irgendwo eine Stromleitung beschädigt worden sein, und auch der Detektor hat einen Ausfall erlitten. Die Notstromaggregate seien zuverlässig angesprungen, aber man müsse überprüfen, wie viel Messzeit verloren gegangen sei.

Nur keine Supernova verpassen

Dass der Detektor zeitweise ausfällt, ist den Wissenschaftlern überhaupt nicht recht. Ihre größte Sorge besteht darin, eine Supernova in einer nahen Galaxie zu verpassen. Diese würde sich als sekundenschneller, aber äußerst intensiver Neutrinoburst bemerkbar machen.

Eine Supernova mit Kernkollaps ist die letzte Lebensphase eines ausgebrannten schweren Sterns, dem kein Material mehr zur Fusion zur Verfügung steht. In Kernprozessen unter extremen Temperaturen und enormem Druck wandeln sich Protonen durch Elektroneinfang zu Neutronen und Neutrinos. Die Neutronen verbleiben im Kern, sodass durch die Supernova oft ein Neutronenstern entsteht. Die flüchtigen Neutrinos hingegen entweichen. Ohne den Degenerationsdruck der Elektronen kollabiert der Stern aber noch schneller und heizt sich dadurch auf. Für mittelschwere Sterne stellen Neutron-Neutron-Interaktionen im immer dichter werdenden Kern des Sterns die finale physikalische Grenze des Kollapses dar. An dieser Grenze prallt die ins Zentrum stürzende Materie ab, als rase sie ungebremst in eine Backsteinmauer.

Eine gewaltige Explosion, doch Licht und Materie sind nur die Nebendarsteller. Eine Supernova ist hauptsächlich ein riesiges Neutrino-Ereignis.
Künstlerlische Darstellung: CC BY 2.0 ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Alexandra Angelich (NRAO/AUI/NSF)

Der Kollaps wird umgehend zu einer sich ausdehnenden supersonischen Schockfront, die die Materie wieder nach außen schleudert. Im Innern verbleibt ein Neutronenstern mit einer Temperatur von circa 100 Billionen Kelvin. Seine thermische Energie fließt in die Produktion von Neutrino-Antineutrino-Paaren in hoher Zahl, die die Energie davontragen und so als Kühlung wirken. Obwohl eine Supernova von einer gewaltigen Explosion begleitet wird, die zeitweise die Helligkeit ihrer ganzen Galaxie überstrahlt, ist es nur ein winziger Teil der freiwerdenden Energie, etwa 1 Prozent, der in Licht und das Herausschleudern von Materie fließt. Die verbleibenden 99 Prozent werden in Neutrinos umgewandelt.

Im Jahre 1987 wurden erstmals die Neutrinos einer Supernova quasi live detektiert, als in einer unserer Nachbargalaxien, der Großen Magellanschen Wolke, ein Stern explodierte. Die 24 Neutrinos, die der Super-Kamiokande-Vorläufer KamiokaNDE damals sah, gaben Anlass zu Tausenden von wissenschaftlichen Veröffentlichungen und waren ein unerwarteter Triumph der frühen Neutrinophysik. 1987a, die Designation der Supernova, ist unter den Forschern in Kamioka seither zu so etwas wie einer magischen Zahl geworden. Eine erneute Supernova mitzuerleben, wäre das Großereignis auf das hier alle hoffen. Leider gehörte die große Supernova im Januar dieses Jahres in der Spiralgalaxie Messier 82 zur Klasse Ia, den thermonuklearen Supernovae, die keinen Kernkollaps durchlaufen.

Neutrinos mit eigenen Augen sehen

Als die Forscher alle Systeme überprüft haben, legt sich die Aufregung langsam. Etwa 20 Minuten hatte man das Universum nicht genau im Blick. Unwahrscheinlich, dass man viel verpasst hat. Endlich darf ich in den Kontrollraum, in dem der große Bildschirm hängt, der schematisch das ganze Innere des riesigen Detektors anzeigt. Tag und Nacht wird diese Anzeige von Forschern auf Schichtdienst kontrolliert.

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Die Wissenschaftler sitzen auf dem Deckel eines riesigen Tanks.
Illustration: CC BY-NC 2.0 Amber Case

Wir befinden uns oben auf dem Deckel des mit ultra-reinem Wasser gefüllten zylindrischen Detektors von 40 Metern Höhe und 40 Metern Durchmesser, dessen Innenwände mit Tausenden von lichtempfindlichen Photo-Multipliern ausgekleidet sind. Wechselwirkt ein Antineutrino mit den Protonen des Wassers, so entsteht ein hochenergetisches Positron (Antiteilchen des Elektrons), das sich schneller durch das Wasser bewegt als Licht im selben Medium. Geladene Teilchen, die in Materie schneller als Licht unterwegs sind, strahlen in ihre Flugrichtung Lichtkegel ab, sogenannte Cherenkov-Strahlung. Dieser Lichtkegel scheint dann auf die lichtempfindliche Innenwand des Detektors und ist als Ring oder Kreis zu sehen.

Bunte Kreise und Ringe tanzen auf der großen Anzeige. Wer die aufwändigen Grafiken von Computerspielen und Spezialeffekte in Filmen gewöhnt ist, dem scheint die grobe Auflösung der farbigen Punkte, jeder ein einzelner Lichtsensor im Tank, nicht besonders beeindruckend.

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Drei Neutrinos bringen den Detektor gleichzeitig zum leuchten. Ihre Cherenkov-Kegel werfen Kreise and die Wand.
Foto: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Und trotzdem läuft mir ein wohliger Schauer über den Rücken: Ich bin so nahe daran, einmal ein Neutrino mit eigenen Augen zu sehen, wie ein Mensch es nur sein kann. Eines dieser subatomaren Teilchen, die so leicht und unsichtbar sind, dass sie sich nur um Haaresbreite vom Nichts unterscheiden. Dass wir ihre Existenz überhaupt bemerkt haben, ist erstaunlich. Das Universum besteht zu einem großen Teil aus Neutrinos; sie sind überall. Doch wir sind blind für sie.

Unser Leben spielt sich in einer seltsamen Umwelt ab, die größtenteils ganz und gar untypisch ist für die Natur des Universums. Wir sind Geschöpfe einer gemäßigten Zone, umgeben von Dingen mittlerer Größe bei mittlerer Geschwindigkeit, aber voller Pertubationen und komplexer emergenter Phänomene, die uns den Blick und einen Instinkt für die elementaren Regeln der Physik verwehren. Um ihnen dennoch näherzukommen, müssen wir so unwahrscheinliche Orte wie Super-Kamiokande erschaffen, die abgeschirmt von dem, was uns normal erscheint, sich in ihrer Seltsamkeit der Seltsamkeit des Universums angleichen.

Atomkraftwerke machen sich bemerkbar

Hier unten verstummen all die störenden Signale und der Lärm der Außenwelt und in der Dunkelheit sehen die Forscher klarer. Ein Wissenschaftler erzählt mir, er sei im Berg gewesen, als das große Erdbeben und der Tsunami Japan erschütterten. Er habe es nicht einmal gespürt. Wäre man näher an der Ostküste gewesen, hätte man vielleicht die Turbulenzen in Fukushima bemerkt.

Neutrino-Experimente registrieren die Aktivität von Atomkraftwerken. In Zukunft wären damit vielleicht präzise Überwachungssysteme für Reaktoren denkbar, die schon früh an einem veränderten Neutrinofluss Unregelmäßigkeiten ablesen und so vielleicht Katastrophen abwenden könnten. Auch die atomaren Aktivitäten von Ländern wie Nordkorea ließen sich auf große Distanz feststellen.

Einige Detektoren stehen heute bewusst in der Nähe von Reaktoren, doch sie haben vor allem die Aufgabe, bei bekanntem Abstand und bekannter Quelle eine andere Eigenart des Neutrinos zu untersuchen. Neutrinos kommen wie ihre schweren Leptonpartner in drei verschiedenen Geschmäckern vor: die Leptonflavor Elektron, Muon und Tau. Ein Elektron-Neutrino entsteht in Reaktionen immer zusammen mit einem Elektron, ein Tau-Neutrino mit einem Tauon und so weiter. Außerdem kommen die Neutrinos mit drei verschiedenen Massen vor, ähnlich wie auch Elektronen, Muonen und Tauonen unterschiedlich schwer sind. Was aber jeden schwindlig machen sollte, ist Folgendes: Ein Neutrino, das einem der drei Flavor angehört, hat nicht nur eine Masse – es hat gleichzeitig drei verschiedene Massen. Masse ist keine robuste physikalische Größe mehr, sondern ein schwammiger Überlagerungszustand.

Andersherum ist ein Neutrino eindeutiger Masse eine Mirage von sich überlagernden Flavorzuständen. Solche Phänomene kann nur die Quantenmechanik hervorbringen und zwar dann, wenn zwei mathematische Operatoren nicht vertauschen. Ein Operator fragt immer eine bestimmte Eigenschaft eines Teilchens ab: so fragt der Impulsoperator nach dem Impuls und der Ortsoperator nach dem Ort. Auch dieses Operatorpaar vertauscht nicht, was uns als Heisenbergsche Orts-Impuls-Unschärfe bekannt ist.

Verschobene Realitäten

Neutrinos besitzen entsprechend eine Masse-Flavor-Unschärfe. Bei der Erzeugung in Kernreaktionen ist vor allem der Flavor wichtig. Ein Neutrino wird als eindeutiges Elektron-Neutrino emittiert, befindet sich dabei aber in drei Massenzuständen gleichzeitig. Die Masse ist nun aber wiederum maßgeblich bei der Propagation des Teilchens durch den Raum. Die verschiedenen Massenanteile des Elektron-Neutrinos propagieren verschieden stark und so ändern sich ihre Anteile, während das Teilchen fliegt. Das Verhältnis der drei Massen verschiebt sich, so dass die Mischung eher einem Muon-Neutrino entspricht anstatt wie zu Anfang einem Elektron-Neutrino.

Testet man das Neutrino im Flug auf seine Flavor-Art, so sieht man, dass es zwischen allen drei Flavorn hin- und her oszilliert. Dass das Neutrino oszilliert, war überhaupt erst der Beweis dafür, dass es Masse besitzt. Lange wurde angenommen, dass es sich um masselose Teilchen handelt, doch vereinfacht gesagt: Was keine Masse hat, bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit, und was sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, dessen Zeit steht still – ohne Zeit jedoch gibt es keine Veränderung und keine Oszillationen.

Das Neutrino kennt also zwei Realitäten, die gegeneinander verschoben sind wie die Aufnahmen eines 3D-Kinofilms: seine Massenrealität und seine Flavorrealität. Je nachdem, durch welche Brille man es betrachtet, stellt es sich einem unterschiedlich dar. Den Grad dieser Verschiebung, die mathematisch eher einer Verdrehung entspricht, kann sogar angegeben werden und eben die Einträge dieser Drehmatrix sind es, nach denen alle Neutrino-Experimente auf der Welt suchen.

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Links drei Flavor, rechts drei Massen. Dazwischen gibt die Mischungsmatrix an, wie stark die zwei Realitäten des Neutrinos gegeneinander verdreht sind.

Der Kontrast zwischen dem, was uns offensichtlich erscheint und dem, was tatsächlich ist, kann erstaunlich groß sein.

Die ganze Woche ist es in Japan aufgrund des Taifuns trüb und dunkel gewesen. Dass die Sonne, die stärkste Neutrinoquelle in unserer Nähe, unvermindert hell wie eh und je scheint, sehe ich erst hier unten. Die Wissenschaftler auf Nachtschicht wussten sogar schon vor Sonnenaufgang, dass das Tageslicht in gewohnter Weise zurückkehren würde, denn sie haben die Sonne die ganze Nacht durch den Planeten hindurch beobachtet.

Echter als Sonnenschein: Das einzige Livebild unserer Sonne sehen wir im Neutrinolicht.
Foto: R. Svoboda and K. Gordan (LSU)

Sich Tausende von Metern in einen Berg zu graben, um festzustellen, dass die Sonne scheint, mag wunderlich klingen. Viele wissen, dass das Licht der Sonne acht Minuten braucht, um zur Erde zu gelangen, aber nicht, dass es davor schon 40 000 Jahre im Inneren der Sonne unterwegs war, um an deren Oberfläche zu gelangen. Unser Sonnenlicht ist sehr alt, und sein Entstehungsprozess liegt lange zurück. Im selben Prozess entstehen jedoch Neutrinos, und diese gelangen unmittelbar an die Sonnenoberfläche. Mit wenigen Minuten Verzögerung erhalten wir so fast live die Bestätigung, dass unsere Sonne tatsächlich noch nicht erloschen ist. Vor Super-Kamiokande konnte das niemand mit Sicherheit sagen. Jetzt habe auch ich es mit eigenen Augen gesehen.

Wir steigen wieder in den Jeep und fahren hinaus in die verregnete Landschaft, während hinter uns im Berg die Sonne weiter scheint.

Headerbild: Wissenschaftler fahren im halbgefüllten Super-Kamiokande-Tank mit dem Schlauchboot spazieren. Foto: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

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