Man kann Elementarteilchen durch Beschleuniger jagen und beschießen. Und man kann ihre Zustände messen. So ein Neutrino zum Beispiel ist wankelmütig. Quantenmechanische Prozesse führen dazu, dass so ein Partikel bei jeder Messung anders aussieht. Diese Art der Umwandlung nennt man Neutrino-Oszillation. Und die ist nur möglich, wenn das Teilchen eine Masse hat.

Der Japaner Takaaki Kajita und der Kanadier Arthur McDonald erhalten dafür, dass sie diese Umwandlung im Experiment nachgewiesen haben nun den Physik-Nobelpreis. Das teilte das Nobelkomitee in Stockholm mit.

"Der diesjährige Preis handelt von Zustandsveränderungen von einigen der am reichlichsten vorhandenen Bewohner des Universums", sagte Göran Hansson, Generalsekretär Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften. Die beiden Forscher teilen sich das Preisgeld von umgerechnet 850.000 Euro – und das muss nicht in die Forschung gesteckt werden, kann es aber.

Im Weltall wimmelt es vor Neutrinos

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen. Sie sind Zerfallsprodukte anderer instabiler Teilchen. Diese wiederum entstehen zum Beispiel, wenn kosmische Strahlung auf Atomkerne in der Erdatmosphäre trifft. Einige der Neutrinos stammen noch direkt vom Urknall, andere bilden sich, wenn extrem massereiche Sterne sterben – in einer gigantischen Supernova-Explosion. Aber auch in Atomkraftwerken oder in unserem Körper werden solche Teilchen frei. Zu Billionen sausen sie durchs Universum, fast mit Lichtgeschwindigkeit, und durchqueren alles, was es nach heutigem Wissen gibt.

"Für mehr als ein halbes Jahrhundert haben wir gedacht, dass Neutrinos keine Masse haben", sagte Nobeljurorin Olga Botner. "Jede Sekunde passieren Milliarden von Neutrinos unseren Körper." Die Erkenntnis der beiden Physiker hat das lange gültige Standardmodell der Physik grundsätzlich in Frage gestellt.

Die Physiker lösten ein Rätsel, an dem sich Fachkollegen seit einem halben Jahrhundert die Zähne ausgebissen hatten. In den 1960er Jahren hatte man berechnet, wie viele Neutrinos theoretisch auf der Sonne entstehen müssten. Von dort kommen nur Teilchen eines bestimmten Typs: Elektron-Neutrinos. Als Physiker diese auf der Erde in ihren Detektoren durch indirekte Nachweise nachzählten, fehlte plötzlich ein Drittel. Wohin konnten die Teilchen verschwunden sein? Kajita und McDonald fanden dann heraus: Die Teilchen erreichen die Erde. Nur eben umgewandelt zu anderen Typen von Neutrinos.

Takaaki Kajita, zum Zeitpunkt der entscheidenden Forschung an der Uni von Tokio in Kashiwa tätig, hatte Neutrinos vermessen, die sich auf dem Weg in den Super-Kamiokande-Detektor – eine riesige Teilchen-Vermessungsanlage – überraschenderweise verändert hatten. 1998 veröffentlichte er die entscheidende Arbeit dazu.

Der Detektor ist seit 1996 in Betrieb. Er liegt tausend Meter unter der Erde in einer ehemaligen Zink-Mine, 250 Kilometer nördlich von Tokio. Dort schicken die Physiker Elementarteilchen durch einen Tank, der mit 50.000 Tonnen so superreinem Wasser gefüllt ist, dass die Teilchen 70 Meter weit vorankommen, ehe sich ihre Energie halbiert. In einem normalen Pool kämen sie keine paar Meter weit. Kollidieren die Teilchen auf ihrer Tauchfahrt mit einem Elektron oder einem Atomkern, wird Energie frei. Ein extrem schwacher blauer Lichtblitz entsteht. Und den können Forscher wie Kajita messen.

Arthur B. McDonald erforschte zur selben Zeit am Observatorium im kanadischen Sudbury Neutrinos, die von der Sonne kamen. Eigentlich dachte man, die Teilchen würden auf ihrem Weg durchs All verschwinden. Das Taten sie aber nicht, wie McDonald 2001 der Welt verkündete. Sie lieferten eben nur andere Messwerte.

Alles nur Haarspalterei auf hohem Niveau?

Für unseren Alltag hat die Neutrino-Überraschung zunächst keine Auswirkungen. Praktische Anwendungen, wie etwa die Entwicklung von MP3-Playern und Superbildschirmen – oder die Einführung von Blutspenden oder DNA-Tests – kann man von dem Wissen um die Teilchen-Masse erst einmal nicht erwarten. Aber: Sie schmeißt vieles um, was Physiker bis Dato über die Entstehung des Universums dachten. Immerhin etwas.

Der Österreichische Physiker Wolfgang Pauli (Nobelpreisträger 1945) äußerte erstmals, es müsse irgendeine Art von radioaktiven Teilchen geben, die dafür verantwortlich ist, dass Energie im Universum verschwindet. Dessen Fehlen konnte man sich nicht erklären. Er selbst glaubte nicht recht an seine Theorie. Seine Arbeit war eher eine Verzweiflungstat. "Ich habe etwas Schreckliches gemacht", sagte er einmal. "Ich habe ein Teilchen in die Welt gesetzt, das nicht nachgewiesen werden kann."

Blaue LEDs gewannen letztes Jahr

Im vergangenen Jahr teilten sich die Japaner Isamu Akasaki und Hiroshi Amano sowie der Amerikaner Shuji Nakamura den Physik-Nobelpreis, und zwar für die Entwicklung von sparsamen, umweltfreundlichen und für viele Industrien wichtigen weißen Lichtquellen. Dioden, die rotes und grünes Licht aussenden, gab es bereits seit 50 Jahren. Doch es brauchte Blau, um weißes Licht zu erzeugen, wie LEDs es heute ausstrahlen. Um das zu erzeugen, tüftelten sie gefühlt ewig, bis sie das richtige Halbleiter-Material gefunden hatten.

Die Nobelpreis-Woche geht weiter - morgen folgt die Verkündung in der Kategorie Chemie. Der Physiologie/Medizin-Nobelpreis ist bereits bekannt: Parasitenforscher, die Würmer und Einzeller unschädlich machen, wodurch Seuchen wie Malaria oder Flussblindheit heilbar werden, erhielten gestern die Auszeichnung.

Ein Quiz zum Thema. Wofür gab es den satirischen Ignoble-Nobelpreis (kurz Ig) und wofür eine ernste Ehrung? Raten Sie mit.

Morgen geht es weiter mit Chemie. Verfolgen Sie hier am Mittwoch, 7. Oktober, ab 11.45 im Live-Stream die nächste Nobelpreis-Bekanntgabe.