Woraus bestehen wir, unser Planet, unser Universum? Warum halten die kleinsten Einzelteile unseres Körpers zusammen und warum leuchtet eigentlich die Sonne? Ein halbes Jahrhundert lang hatten Physiker dank des Standardmodells der Teilchenphysik die Antwort parat. Doch Anfang des Jahrtausends bewiesen die Physiker Takaaki Kajita und Arthur McDonald: Das Modell erklärt bei Weitem nicht alles, es gibt mehr.

Mit der Erkenntnis mischten sie die Wissenschaft auf – so sehr, dass Kajita und McDonald dieses Jahr dafür den Physik-Nobelpreis bekommen haben. Der große Umsturz der Teilchenphysik fußt dabei auf dem Verständnis von etwas ganz Kleinem, den Neutrinos.

Die Elementarteilchen entstehen beispielsweise im strahlenden Innern der Sonne oder wenn kosmische Teilchen auf die Erdatmosphäre prasseln. Jahrelang schien ein Teil dieser geheimnisvollen Partikel auf dem Weg in die Messgeräte der Forscher einfach zu verschwinden. Die diesjährigen Physik-Nobelpreisträger bewiesen: Die Teilchen gehen nicht verloren, dahinter steckt bloß eine bis dato unbekannte Physik.


Neutrinos wechselwirken kaum mit anderen Teilchen, sondern fliegen meist einfach durch sie hindurch. Ganz selten bloß stößt deshalb ein Neutrino mit einem Atomkern oder einem Elektron zusammen und erzeugt dabei ein neues geladenes Teilchen, das Forscher dann in ihren Detektoren nachweisen können. Ihr spärliches Auftreten verlieh den Winzlingen den Spitznamen "Poltergeister".

Nachgewiesen und doch nicht genug

Von der ersten Vorhersage bis zum ersten Nachweis verging deshalb fast ein Vierteljahrhundert. Inzwischen sind drei Sorten bekannt: Das Elektron-, das Myon- und das Tau-Neutrino, die sich alle in ihren physikalischen Eigenschaften definitiv – wenn auch abstrakt – unterscheiden. 1956 fanden die US-amerikanischen Forscher Clyde Cowan und Frederick Reines das Elektron-Neutrino in ihrem Detektor. Der erste Nachweis eines Myon-Neutrinos gelang in den 1960er Jahren und schließlich wurde im Jahr 2000 auch das Tau-Neutrino gesichtet. Nachgewiesen waren sie also alle, aber mit der Menge gab es Probleme.

Unsere Sonne beispielsweise erzeugt ausschließlich Elektron-Neutrinos. Von denen, so die Berechnungen der Wissenschaftler, sollte eine bestimmte Menge durch das Weltall zur Erde reisen und sich dort nachweisen lassen. Doch egal, wie viele Messungen sie anstellten, immer fehlte ein Teil der vorhergesagten Elektron-Neutrinos. Gleiches galt für Myon-Neutrinos, die in der Atmosphäre erzeugt wurden: Stets zählten Wissenschaftler zu wenige.

Auf die Erkenntnis folgte die Unwissenheit

Für Kajita und seine Kollegen war das unhaltbar. Sie nahmen sich die Myon-Neutrinos mit dem japanischen Super-Kamiokande-Detektor vor, einem 40 Meter hohen Tank unter der Erde, gefüllt mit 50.000 Tonnen ultrareinem Wasser. Tatsächlich kollidierte darin ab und an ein in der Atmosphäre erzeugtes Myon-Neutrino mit einem Wasserteilchen. Es folgte ein geladenes Teilchen, dessen charakteristische Lichtspur von einem der rund 11.000 optischen Sensoren aufgefangen wurde. So weit, so gut – dennoch gingen auch ihnen vermeintlich zu wenige atmosphärische Neutrinos in die Detektor-Falle.

Statt zu verzweifeln, ersannen die Physiker zahlreiche Theorien. Eine davon: Die Teilchen verwandeln sich auf ihrem Weg in die einzige Sorte, die sich im Kamiokande-Detektor nicht nachweisen ließ, die Tau-Neutrinos. Sie sollten Recht behalten, wie eine bahnbrechende Beobachtung von Kajita schließlich bewies: "Sie konnten zeigen, dass mehr oder weniger Neutrinos aus der Atmosphäre fehlen, je nachdem wie weit sie nach ihrer Entstehung bis zum Detektor gereist sind", sagt Fachkollege Karl-Heinz Kampert, Professor für Astroteilchenphysik an der Universität Wuppertal. Die Erklärung der Wissenschaftler: Von den Myon-Neutrinos, die in der Atmosphäre auf der anderen Seite der Erde entstanden sind, verwandeln sich viele auf dem weiten Weg bis in den Detektor in ein Tau-Neutrino (Super-Kamiokande Collaboration, 1998).

Dass auch Elektron-Neutrinos aus der Sonne nicht auf dem Weg zur Erde verschwinden, bestätigte 2001 das Team von Arthur McDonald am Sudbury Neutrino Observatory in Kanada. Mit ihrem Detektor auf der anderen Seite der Welt maßen die Forscher erstmals die Summe aller drei Neutrino-Sorten und lieferten den Beweis: Hier kommt nichts weg. Es gibt bloß Neutrinos, die sich in andere Sorten verwandeln (SNO Collaboration, 2001).

Alles hätte vernichtet sein müssen

Eine Erkenntnis mit weitreichenden Folgen. Da Neutrinos sich ineinander verwandeln können, besitzen sie laut den Gleichungen der Wissenschaftler automatisch eine Masse. Und das ist im lange erprobten Standardmodell der Teilchenphysik nicht vorgesehen.

"Die Experimente von McDonald und Kajita waren der erste harte Beweis dafür, dass das Standardmodell nicht die ganze Wahrheit ist", sagt Manfred Lindner, Direktor des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg. Mit ihren Experimenten hätten sie die Tür zu einem bislang unbekannten Teil der Teilchenphysik aufgestoßen. Und so grübeln Forscher seither, wie die Theorie erweitert werden muss. "Es muss mehr Teilchen geben, als das Standardmodell vorhersagt", sagt Lindner. "Zum Beispiel vermutet man inzwischen, dass es weitere, schwerere Neutrinos gibt. Die könnten die Erklärung dafür sein, warum beim Urknall mehr Materie als Antimaterie übrig blieb.

Bisher ist den Forschern nämlich noch reichlich unklar, warum beim großen Big Bang überhaupt etwas übrig blieb: Geht man davon aus, dass zu Beginn des Universums gleich viel Materie wie Antimaterie entstand, hätten diese sich mit einem riesigen Knall direkt wieder gegenseitig vernichten müssen. Die bevölkerte Erde hätte es nie gegeben. Offensichtlich kam es anders.

Den Medizin-Nobelpreis hat die Jury bereits am Montag an William Campbell, Satoshi Ōmura und Youyou Tu verliehen. Morgen geht es weiter mit Chemie. Verfolgen Sie hier am Mittwoch, 7. Oktober, ab 11.45 im Live-Stream die Bekanntgabe.