Meine lieben Studentinnen und Studenten, meine Damen und Herren,
als einziger noch lebender Nobelpreisträger der Physik in der Bundesrepublik
und damit Angehöriger einer rasch aussterbenden Gattung von Lebewesen habe ich mir überlegt,
ob es nicht vielleicht zweckmäßiger wäre, anstelle eines wissenschaftlichen Vortrages
über die Ursachen dieser rapiden Abnahme der Nobelpreisträger in der Bundesrepublik zu sprechen,
das wäre vielleicht wichtiger, aber nachdem es sich hier um ein politisches Thema handelt
und nachdem die Vertreter meines Kultusministeriums, des Bayerischen Kultusministeriums,
ohnehin nicht anwesend sind auf dieser Tagung, dachte ich, dass ich vielleicht doch lieber über ein angenehmeres Thema rede
und Ihnen einen wissenschaftlichen Vortrag halte.
Ich möchte über Neutrinos zu Ihnen sprechen und möchte zunächst vielleicht einige Worte über die Geschichte der Neutrinos sagen.
Wenn man in Europa über die Geschichte spricht, irgendeiner Materie, dann pflegt man meistens
bei den alten Griechen anzufangen, aber bei den Neutrinos ist es so, dass die Geschichte so etwa um das Jahr 1933 beginnt,
der genaue Zeitpunkt lässt sich da etwas schwer festlegen, denn die Hypothese der Neutrinos,
die von Pauli formuliert worden ist, lässt sich zeitlich nicht so genau festlegen.
Sie hat eine Wandlung durchgemacht, auch bei Pauli selbst, sie war eigentlich zunächst etwas anders konzipiert
als wir sie heute gewöhnt sind, aber ich glaube, 1933 ist vielleicht ein gutes Jahr, um zu sagen,
von da ab ist diese Hypothese gültig gewesen.
Eine Hypothese, die darin besteht, dass wir annehmen mussten - und das war also die Annahme von Pauli - dass,
wenn wir einen Betazerfall von einem Kern mit der Ordnungszahl Z etwa zu einem Kern mit der Ordnungszahl Z+1
unter Emission eines Elektrons haben, dass wir annehmen müssen,
nachdem der Anfangs- und der Endzustand hier wohl definiert sind in Bezug auf seine Energie,
dass auch die emittierte Strahlung, also in diesem Fall die Betastrahlung, eine wohldefinierte Energie hat.
Wie Sie aber wohl alle wissen, ist das nicht so, sondern die emittierten Betateilchen haben eine Energieverteilung
mit einer maximalen Energie, die wir in der Tat dieser Energiedifferenz, hier mit einigen Korrekturen,
also Massendifferenzen, zuschreiben können, aber es gibt also auch eben sehr viel geringere Energien.
Aus diesem Dilemma, was zunächst eventuell wie eine Verletzung von Erhaltungssätzen der Energie und des Impulses aussah,
und der Spin spielte auch eine Rolle, aus diesem Dilemma kam also Pauli durch diese Neutrino-Hypothese heraus, indem er sagte,
es wird nicht nur ein Betateilchen hier emittiert, ein Elektron, sondern gleichzeitig noch ein anderes Teilchen, ein Neutrino.
Der Betazerfall lässt sich etwa dann so formulieren, dass in diesem Kern ein Neutron in ein Proton übergeht
unter Emission dieser beiden anderen Teilchen.
Das hier soll ein Elektron-Neutrino, genauer genommen - und das ist dieser Querstrich - ein Elektron-Antineutrino sein.
Ob das anti oder nicht anti ist, das ist eine Frage der Definition, die eben mal so später eingeführt worden ist.
Wir haben heute sehr gesicherte Annahmen, sehr gesicherte Messungen, oder sagen wir,
einigermaßen gesicherte Messungen über diese Neutrinos, und ich möchte nun also heute in diesem Vortrag
ein bisschen über einige der moderneren Konzepte dieser Neutrinos sprechen, keineswegs über alle.
Die Summe unserer experimentellen Information - und wir müssen uns ja immer letzten Endes auf die Experimente verlassen,
ganz gleich, was uns die Theoretiker alles Gescheites erzählen, wir müssen das nachprüfen und sehen, ob das dann auch stimmt -
ist weitgehend in Quantenzahlen enthalten, die wir heute Leptonenquantenzahl nennen.
Entschuldigen Sie bitte, wenn ich das alles hier in Englisch mache und meinen Vortrag in Deutsch halte,
nachdem Herr Wegener sich so viel Mühe gegeben hatte, mit der Sprache will ich das also auch tun
und möchte also hier in diesem Vortrag anstelle des sonst üblichen broken English ein visible English verwenden.
Nun, diese Leptonenquantenzahlen, die Sie hier sehen, teilen wir den Elektronen- und den Myonen-Neutrinos zu,
die wir heute kennen, und zwar kennen wir heute 4 solcher Leptonensorten, nämlich die Elektronen,
die negativ geladenen Elektronen, und die zugehörigen Elektronen-Neutrinos, außerdem die Myonen
und die zugehörigen Myon-Neutrinos, die also durch diese Quantenzahlen L(e) und L(My) charakterisiert werden können,
und zu diesen Teilchen hier gibt es dann natürlich auch noch die entsprechenden Antiteilchen
mit den entsprechenden Quantenzahlen umgekehrten Vorzeichens.
In der Tat kennen wir heute - und das habe ich schamhaft durch diesen Punkt hier angedeutet -
noch mindestens eine weitere Sorte von Leptonen, die sogenannten Tauonen, und zu denen gehören auch Neutrinos,
aber diese Situation ist sehr neu und noch nicht in allen Einzelheiten aufgeklärt,
und ich werde diese Tauonen weiter in meinem Vortrag nicht benützen, aber alles, was ich sage,
lässt sich dann leicht auch verallgemeinern.
Nun ein paar Worte darüber, welche Neutrinoquellen wir heute zur Verfügung haben,
ich sollte vielleicht noch über diese Leptonenquantenzahlen, nachdem man mir zehn Minuten mehr Redezeit gegeben hat, etwas sagen.
Ich habe hier ein Beispiel angeschrieben, wo Sie sehen, dass es für diese Neutronen-Elektronen-Quantenzahlen
ein Erhaltungssatz gibt, also diese Nukleonen hier, die haben die Leptonenquantenzahl 0, und dann sehen Sie hier zum Beispiel,
auf der linken Seite steht dann die Leptonenquantenzahl 0, und da muss sie auch auf der rechten stehen,
wenn es einen Erhaltungssatz gibt, und Sie sehen, das stimmt.
Hier etwa für das e- haben Sie hier eine 1 und für das Ny e quer, das Antielektronen-Neutrino, haben Sie ein -1,
und 1und minus 1 macht also zusammen 0, links und rechts steht also das Gleiche in dieser Gleichung.
Nun ein Wort über die Neutrinoquellen, die uns heute zur Verfügung stehen, die wesentlichen habe ich hier aufgeführt,
wir haben also zunächst die Spaltungsreaktoren, die so sehr im Interesse der Öffentlichkeit zurzeit stehen.
Diese Spaltungsreaktoren produzieren außer der gefährlichen radioaktiven Strahlung, die es da gibt,
in noch viel größerem Umfang Neutrinos, das ist ein Hinweis für mögliche Demonstrationen,
die diese Neutrinos im Bereich von 2 bis 8 MeV, die haben also so Flüsse von der Größenordnung 10^13,
und zwar sind diese Flusszahlen, die ich hier angebe, so im Abstand von etwa 5 Meter
vom Herzen eines solchen Reaktors entfernt, näher kann man ohnehin nicht ran, weil da große Abschirmungen zwischendrin sind,
das sind also Flüsse für die stärksten Reaktoren, die wir heute haben.
Dann haben wir die Mesonenfabriken, die uns Neutrinos liefern, und zwar während die uns hier Elektronen-Antineutrinos liefern,
die Reaktoren liefern uns die Myonen-Neutrinos, sie liefern auch noch andere Teilchen, aber das sind die interessanten,
aber schon mit sehr viel geringeren Intensitäten.
Dann haben wir die Hochenergiebeschleuniger, die wieder in anderen Energiebereichen arbeiten und uns auch Flüsse liefern,
die sehr gut für die Messungen noch geeignet sind, und schließlich eine unserer wichtigsten
oder vielleicht eine unserer interessantesten Quellen für Neutrinos, die Sonne.
Die habe ich hier etwas spezifischer aufgeführt, weil ich darauf noch einmal zurückkommen werde.
Wir unterscheiden hier vor allem die niederenergetischen Neutrinos von der Sonne, das sind die, die mit hohen Intensitäten,
also fast 10^11 im Fluss vorkommen, das sind jene Neutrinos, und zwar, das sind jetzt normale Elektron-Neutrinos,
die im Hauptfusionsprozess der Sonne eine Rolle spielen, nämlich einfach der Verschmelzung von zwei Protonen.
Dann gibt es aber noch hochenergetische Neutrinos, und das sind die einzigen, die heute der Messung zugänglich sind
oder eigentlich zugänglich sein sollten, möchte ich lieber sagen, mit hohen Energien, die bei einer Seitenkette,
nämlich dem 8 B, 8 Bor, nach 8 Beryllium Übergang produziert werden, aber nur mit ganz geringen Intensitäten.
Auf diesen Punkt, diese letztere Reaktion, die, wie gesagt, die einzige ist, die derzeit direkter Messung zugänglich ist -
das wird sich in naher Zukunft wahrscheinlich ändern - auf die werde ich dann noch einmal kurz zu sprechen kommen.
Soweit also über die Neutrinoquellen, ich weise also noch mal darauf hin,
Beschleuniger und Kernspaltungsreaktoren sind also die wesentlichen Quellen, die uns heute zur Verfügung stehen.
Und jetzt ein paar Worte über einzigartige Eigenschaften der Neutrinos.
Die Neutrinos sind ja wohl fast die merkwürdigsten Teilchen, die wir heute in der Natur haben,
und ich will einige dieser merkwürdigen Eigenschaften - keineswegs alle - hier kurz erläutern.
Zunächst einmal die Eigenschaften im oberen Teil hier, die Eigenschaften der Wechselwirkungen,
nämlich welche Wechselwirkungen diese Neutrinos mitmachen.
Und um Ihnen das zu demonstrieren, habe ich hier auch noch ein paar andere Teilchen aufgeschrieben, also Nukleonen,
wie zum Beispiel das Proton, das nimmt teil an allen uns bekannten Wechselwirkungen, also an der starken Wechselwirkung,
an der elektromagnetischen Wechselwirkung, an der schwachen Wechselwirkung und auch an der Gravitationswechselwirkung.
Es gibt dann noch für die Physiker eine esoterische superschwache Wechselwirkung -
aber das geht dann auch schon wieder an die Grenzen, sehr an die Grenzen, ich würde sagen,
über die Grenzen unseres Wissens hinaus, drum will ich die gar nicht erwähnen.
Und ich will auch in weiterer Zukunft nicht mehr die Gravitation erwähnen,
die ist so schwach gegen die anderen Wechselwirkungen, dass wir sie für unsere Zwecke hier vernachlässigen können.
Nun, die Elektronen, die sind schon etwas beschränkter insofern, als sie wegen ihrer Ladung noch an der elektromagnetischen
und dann natürlich auch an der schwachen Wechselwirkung und erst recht an der Gravitationswechselwirkung teilnehmen.
Noch schwächer sind die Neutrinos, die auch, weil sie keine Ladung tragen,
nur noch an der schwachen Wechselwirkung beteiligt sind.
Also Neutrinos sind einzigartig in der Form, dass sie weder an der elektromagnetischen
noch an der starken Wechselwirkung beteiligt sind und es uns deswegen erlauben,
isoliert gerade die Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung zu studieren.
Was schwache Wechselwirkung heißt, das muss man sich auch als Physiker, der dieses Gebiet kennt,
so gelegentlich immer wieder einmal klarmachen.
Schwache Wechselwirkung heißt, dass dieses Neutrinos fast überhaupt keine Wechselwirkung haben.
Wir kennen die schwache Wechselwirkung beim Betazerfall, denn der Betazerfall kommt durch
die schwache Wechselwirkung zustande, aber was das wirklich heißt, schwach, das ist,
nachdem man den Betazerfall im Laboratorium ohne Weiteres beobachten kann, selbst für den Eingeweihten manchmal schwierig,
man muss sozusagen den Betazerfallprozess umkehren und sich fragen, wie wahrscheinlich dieser Prozess ist.
Um Ihnen das etwas klar zu machen, wie wenig wahrscheinlich dieser Prozess ist, möchte ich vielleicht zunächst einmal sagen,
dass die Erde in ihrer Gesamtheit für Neutrinos praktisch transparent ist, die gehen durch wie nichts, das heißt zum Beispiel,
die Sonne emittiert Neutrinos, und wenn Sie die Sonne über sich haben und Sie sehen sie,
dann kommen diese Neutrinos bei Ihnen an, wenn die Sonne aber an der entgegengesetzten Seite steht,
wenn es also Nacht ist bei uns, dann kommen die Neutrinos hier genauso an mit gleichem Fluss, mit gleicher Stärke,
als wenn die Erde gar nicht da wäre.
Wenn ich sie wirklich beeinflussen möchte, die Neutrinos, wenn ich also wirklich möchte,
dass sie eine schwache Wechselwirkung machen, dass sie irgendwelche Reaktionen tatsächlich produzieren,
dann muss ich so etwas an Material in ihre Bahn stellen, was etwa der Größenordnung eines Lichtjahres an Blei entspricht.
Das sind natürlich ungeheure Mengen, und Sie können sich bei dieser Aussage klarmachen, dass es nicht ganz einfach ist,
im Laboratorium solche Teilchen nachzuweisen, denn wenn die Erde transparent ist für solche Neutrinos,
wie kann ich dann in einem Detektor von vielleicht der Größenordnung 1 Kubikmeter
oder irgend so was überhaupt eine Chance haben, solche Teilchen zu sehen.
Diese Chance kann ich natürlich nur haben, wenn ich genügend viele solcher Teilchen habe,
dass ich trotz der geringen Wahrscheinlichkeit, die da besteht, vielleicht doch eine Chance habe,
gelegentlich mal eins von diesen vielen Teilchen zu einer Reaktion zu bringen.
Der Aspekt der Neutrinos - und da gibt's noch viele andere Aspekte, die ich jetzt nicht erwähne -
der uns hier besonders interessiert, das ist die Frage nach der Ruhemasse der Neutrinos.
Die normalen Theoretiker, und das habe ich hier angedeutet, das habe ich mit konventioneller Theorie hier bezeichnet,
nehmen an, dass die Neutrinos, und zwar alle, ob das nun Elektron-Neutrinos sind oder Myon-Neutrinos,
dass diese Neutrinos keine Ruhemasse besitzen, sich also so verhalten,
wie wir das bei den Photonen auch konventionell annehmen, auch unsere Photonen, unser Lichtquanten besitzen keine Ruhemasse.
Die experimentelle Situation sieht da gar nicht so gut aus, wir haben einmal für die Elektron-Neutrinos eine Obergrenze,
die bei 35 Elektronenvolt liegt, und für die Myon-Neutrinos sieht die Situation noch wesentlich schlechter aus,
dort haben wir eine Grenze von 650 keV.
Dessen ungeachtet nimmt man jedoch in der Theorie an, dass die Ruhemassen 0 sind, nun,
dass sie nicht so hoch liegen werden wie diese oberen Grenzen, dafür gibt es auch eine ganze Reihe von kosmologischen Argumenten.
Ich glaube, dass man heute annehmen kann, dass die Massen für Neutrinos sicher unterhalb von etwa 15 Elektronenvolt liegen,
sonst gäbe es also ganz unheimliche Konsequenzen für unsere ganzen kosmologischen Theorien,
aber das ist schon nicht mehr so ganz gesichert.
Jedenfalls sind die Massengrenzen, die wir heute kennen, relativ hoch, und man kann sich nun die Frage stellen,
ist es vernünftig, anzunehmen, dass die Massen wirklich exakt null sind
oder könnte vielleicht doch eine endliche Masse für die Neutrinos vorliegen.
Ich werde Ihnen hier jetzt mal eine ganz kurze Liste geben von möglichen plausiblen oder weniger plausiblen Gründen,
warum man annehmen könnte, dass die Ruhemasse der Neutrinos tatsächlich von null verschieden ist.
Zunächst einmal ist zu sagen, dass die theoretischen Argumente, die wir haben und die uns dazu zwingen,
die Ruhemasse null anzunehmen, dass die wesentlich weniger zwangsläufig sind als etwa beim parallelen,
analogen Fall der Photonenruhemasse.
Die Photonenruhemasse beruht ja darauf, dass wir eine elektromagnetische Eichinvarianz für unsere Gleichungen annehmen,
und das ist eine Eichinvarianz, die ganz allgemein gilt für die sogenannte Welt-Hamilton-Funktion.
Und aus dieser Annahme, dass diese Welt-Hamilton-Funktion invariant ist
gegenüber so einer elektromagnetischen Eichinvarianz, folgt zwangsläufig nicht nur die Ruhemasse 0 des Photons,
sondern auch die Erhaltung der elektrischen Ladung, und das ist ein Gesetz,
was ungeheuer gut in der Natur durch Experimente verifiziert worden ist.
Das heißt, es gibt hier recht strenge, harte Argumente für die Ruhemasse null des Photons,
während es im Fall der Neutrinos keineswegs so zwangsläufig und so hart ist.
Auch dort gibt es Symmetrieargumente, die ich nur dem Namen nach erwähne, ohne sie zu erläutern,
insbesondere die sogenannte Gamma 5-Invarianz, die dazu führen,
dass man zu einer Ruhemasse null des Neutrinos in der Theorie kommt,
aber auch diese Invarianzen gelten nicht mehr allgemein für die sogenannte Welt-Hamilton-Funktion,
sondern nur noch für die Wellenfunktion und die entsprechende Gleichung für die Neutrinos selbst,
sie sind also wesentlich weniger allgemein, und man wäre gar nicht so schrecklich unglücklich,
wenn man das aufgeben müsste, während man sehr unglücklich wäre,
wenn man diese Eichinvarianzen auf dem elektromagnetischen Sektor aufgeben müsste.
Also, mit anderen Worten, unsere Argumente hier für eine Ruhemasse null im Bereich der Theorie
sind nicht so wahnsinnig überzeugend bis in ihre letzte Konsequenz hinein.
Dann ein vielleicht etwas schwaches Argument, das ich aber trotzdem geben möchte, es ist immerhin interessant,
darauf hinzuweisen, dass die Masse des Myons doch sehr verschieden von der Masse des Elektrons ist,
während man für die zugehörigen Neutrinos sozusagen Massengleichheit, in dem Fall allerdings die Masse null, annimmt.
Nun, das kann Zufall sein, das könnte sein, dass da eine höhere Symmetrie dahinter ist,
all diese Dinge wissen wir natürlich heutzutage noch nicht.
Ein weiteres Argument, auf das ich nur ganz kurz eingehen kann, weil es also etwas umfangreich ist, ist,
dass man aus der Theorie der schwachen Wechselwirkung weiß,
dass im Fall der sogenannten hadronischen Beiträge zu dieser Wechselwirkung gewisse Symmetrien bei unseren Quarks,
die wir heute als die Grundbausteine ansehen, vorliegen.
Und wenn man solche Symmetrien in ganz konsequenter Weise ganz analog
auch für die Beiträge der Leptonen zur schwachen Wechselwirkung ansetzt,
dann kommt man zwangsläufig auf eine recht interessante Erscheinung,
die zuerst von Pontecorvo als Postulat angesetzt worden ist, und zwar eine Erscheinung oder eine Annahme,
dass die Neutrinos, die wir heute beobachten, also das Elektron-Neutrino und das Myon-Neutrino,
gar keine stabilen Teilchen im klassischen Sinn des Wortes sind,
sondern dass die Überlagerungen Mischungen sind in genau der Form,
wie sie Herr Professor Wegener heute für ein anderes Beispiel schon einmal erklärt hatte,
dass die Überlagerungen oder Mischungen von zwei stabilen Teilchen sind, die ich jetzt mal Ny 1 und Ny 2 nenne, das heißt,
diese neuen Neutrinos Ny 1 und Ny 2, die wir nicht beobachten, diese Neutrinos sind tatsächlich stabil in dem Sinn,
dass sie eine ganz klar definierte Masse haben, modern ausgedrückt sagt man, diese Neutrinos sind Eigenzustände der Massenmatrix.
Das habe ich ganz kurz nur für die Spezialisten hier noch einmal angedeutet,
hier ist also jetzt der Hamilton-Operator für diese Eigenzustände der Massenmatrix angeschrieben,
und Sie sehen sofort - diejenigen von Ihnen, die diesen Formalismus kennen - dass etwa hier ein Teilchen Ny 1 verschwindet
und hier eins erzeugt wird, das heißt, die Zahl der Ny 1-Teilchen, die bleibt erhalten, genauso hier für die Ny 2-Teilchen.
Wenn ich dagegen diesen Ausdruck mithilfe dieser Transformationsmatrix umschreibe, dann kriege ich so Konstanten,
die ich alle so leicht ausrechnen kann, aus dem, was hier steht, die sind nicht wichtig,
und dann kriege ich hier insbesondere so einen Ausdruck, wo Sie sehen,
dass hier etwa ein Elektron-Neutrino umgewandelt wird in ein Myon-Antineutrino, das heißt,
hier bleiben die Leptonenquantenzahlen nicht mehr erhalten.
Das ist sozusagen die Symmetrie, die hier zerstört wird, und das ist hier ganz unmittelbar abzulesen,
wenn ich so eine Transformationseigenschaft annehme.
Dabei ist dieses Theta hier, dieser Winkel Theta ist einfach ein Mischungswinkel,
über den wir überhaupt nichts wissen heutzutage, es ist ein Mischungswinkel der nur deswegen
als Winkel hier geschrieben ist, damit diese ganze Geschichte schön orthogonal ist,
also diese Sinus und Cosinus haben keinerlei Winkelbedeutung in üblicher Form, das ist einfach eine Konstante,
und die ist dann so gemacht, damit diese Gleichungen jeweils schön aufeinander orthogonal sind.
Wir haben also eine Mischung hier, das Elektron-Neutrino ist eine Mischung
aus zwei stabilen Neutrinos mit diesem Mischungskonstant oder diesem Mischungsterm, diesem Mischungswinkel.
Ein vierter Grund, warum man zu der Annahme kommt, warum die Annahme nicht mehr so unplausibel ist,
dass die Myon- und Elektron-Neutrinos eine endliche Ruhemasse haben, ist das sogenannte Sonnen-Neutrino-Rätsel.
Die Tatsache nämlich, dass von einer amerikanischen Gruppe Davis und Mitarbeitern, am Brookhaven-Labor sind die zu Hause,
dass von denen seit vielen Jahren, eigentlich Jahrzehnten, kann man heute schon sagen, dieser Sonnen-Neutrino-Fluss,
den ich Ihnen vorher angegeben habe, gesucht wird, und dass dieser Fluss nicht gefunden worden ist
bzw. dass man mindestens einen Faktor 3 weniger Neutrinos von der Sonne beobachtet, als man tatsächlich erwarten würde.
Ich bin noch nicht sicher, ob das schon eine Katastrophe ist, denn da gibt's immer noch ein paar Möglichkeiten,
es könnte sein, dass die Wirkungsquerschnitte, die man für die Sonnenreaktion verwendet, dass die nicht ganz in Ordnung sind,
da sind Extrapolationen nötig und so, aber es sieht doch allmählich recht verzweifelt aus,
man weiß eigentlich nicht mehr so recht, wo dieser Fluss eigentlich bleibt,
und die Annahme einer endlichen Neutrinomasse könnte - wie ich Ihnen das noch zeigen werde - dieses Rätsel sofort deuten.
Das ist also auch ein weiterer Hinweis darauf, wenn auch noch kein endgültiger,
dass Neutrinos in der Tat eine endliche Ruhemasse haben könnten.
Nachdem ich also jetzt Gründe angegeben habe, warum die Neutrinos eine endliche Masse haben könnten
im Gegensatz zur konventionellen Annahme, möchte ich Ihnen jetzt ein paar Konsequenzen schildern,
die eine solche endliche Masse haben würde.
Zunächst einmal gibt's da eine ganze Reihe von Konsequenzen, auf die ich jetzt im Einzelnen nicht eingehen kann,
für die Teilchenphysik, Elementarteilchenphysik und für die Feldtheorien, aber diese Konsequenzen sind nicht umwälzend.
Da gibt es also so kleine Korrekturen, die man anbringen müsste, die experimentell ungeheuer schwer zu messen sind,
wenn das nämlich anders wäre, dann wüsste man das längst.
Dann gibt es Konsequenzen für die Astrophysik und für die Kosmologie, vielleicht für den letzteren Punkt nur ganz kurz ein Wort.
Wenn die Neutrinos eine Masse hätten, dann haben sie natürlich auch eine Energie nach der Einstein-Beziehung,
und das könnte dazu führen, dass die ganze Energiebilanz im kosmologischen Raum ganz anders aussieht, als wir das heute annehmen.
Das würde also gravierende Konsequenzen haben für unsere Theorien, insbesondere von der Entstehung der Welt, die Frage,
ob das Weltall offen ist oder geschlossen ist und all diese Dinge, die kann man da in der Tat manipulieren,
wenn man eine endliche Neutrinomasse hätte.
Das hätte also ganz enorme Konsequenzen, es könnte sein, das wir - das wissen wir sehr wohl -
nicht nur in einem See von Neutrinos schwimmen, Sie schwimmen die ganze Zeit in diesem See,
sondern dass dieser See viel dichter ist und vielleicht ganz andere Teilchen noch enthält, als wir es derzeit annehmen.
Der zweite Punkt, wenn die Neutrinos eine endliche Masse hätten,
dann würden sie instabil werden können gegenüber Strahlungszerfall,
insbesondere wenn etwa das Elektron-Neutrino oder das Myon-Neutrino unterschiedliche Massen haben,
wenn das eine schwerer ist als das andere, dann kann natürlich das schwerere in ein leichteres zerfallen,
und dabei könnte ein Gammaquant emittiert werden.
Diese Prozesse sind ungeheuer schwer zu beobachten, darüber gibt es heute Annahmen, es gibt also Prozesse,
nach denen man gesucht hat, es wird auch immer wieder mal verkündet in der New York Times
oder in einschlägigen anderen Blättern, dass so etwas gefunden worden ist, das ist natürlich von ganz großer Bedeutung dann,
aber das wurde dann immer wieder zurückgezogen, da wurden also einige Leute ganz kurz mal berühmt,
aber dann wurden sie wieder in die Mottenkiste zurückversetzt.
Also man sucht laufend nach diesem Zerfall hier, aber man hat ihn bisher nicht gefunden.
Das würde auch Konsequenzen haben für die normale Stabilität des Neutrinos in der Form,
dass wir dann dem Neutrino eine Zerfallszeit zuordnen können, darüber gibt es sehr viele Spekulationen,
das ist überhaupt das Schöne an diesem ganzen Gebiet, dass man hier noch so richtig spekulieren kann,
was man heute in der Physik nicht mehr so ohne Weiteres kann, da ist immer jemand da bei allen Ideen, die man heute hat,
der sagt einem, ja, aber da haben Sie den zweiten Hauptsatz verletzt oder da haben Sie das verletzt
oder haben Sie jenes übersehen, Sie haben einfach die Physik nicht richtig verstanden
und dadurch kommen Sie zu solchen Ideen - das passiert einem also heute laufend.
Hier ist es aber doch so, dass man noch wild philosophieren kann, und das ist eine gewisse Befriedigung,
die man da hat, man kann also auch wilde Philosophien anstellen über die mögliche Zerfallszeit der Neutrinos.
Nun, ganz so wild sind die Philosophien nicht, da muss man natürlich alle Experimente,
die schon irgendwo mal gemacht sind daraufhin anschauen, ob man daraus etwas lernen kann,
und da kann man in der Tat eine ganze Reihe lernen.
Es ist doch heute so, dass man zumindest bei den Elektron-Neutrinos gute Argumente dafür hat,
dass deren Lebenszeiten sehr lang sind, sicher sehr viel länger als alles, was ich für meinen Vortrag heute brauche,
aber sie sind sicher auch unter Umständen länger als die Lebensdauer des Weltalls ist, wie wir heute annehmen,
und das ist dann natürlich uninteressant, nach solchen Zeiten zu suchen, aber das ist noch eine etwas offene,
nicht ganz gelöste Frage hier.
Ein weiteres Argument, was ich bringen möchte - und das ist eigentlich das zentrale Thema meines Vortrages hier - ist,
dass eine endliche Neutrinomasse und insbesondere eine Massendifferenz zwischen den beiden Hauptneutrinos,
die ich Ihnen geschildert habe, Elektron- und Myon-Neutrino, eine solche Massendifferenz würde zu einer Instabilität
gegenüber Transformationen führen würde, derart - ich habe hier nur das wichtigste Beispiel angegeben,
es gibt andere Möglichkeiten - dass ein Elektron-Neutrino im Lauf der Zeit sich in ein Myon-Neutrino umwandelt,
dieses wieder zurückverwandelt in ein Elektron-Neutrino und so weiter und so fort,
dass also diese Neutrinos sozusagen oszillieren, mal ist diese Sorte da, wenn ich es am Anfang in dieser Form habe,
und dann kommt diese Sorte und so weiter und so fort.
Also, etwa ganz primitiv in einem Bildchen, wenn ich einen Kernreaktor habe,
und ich habe hier eine Elektron-Antineutrino-Quelle, und die Neutrinos werden nach allen Seiten ausgesendet,
dann wird dieses Neutrino nach einer gewissen Zeit sich in ein Myon-Neutrino umgewandelt haben,
wieder weiter draußen ist es wieder ein Elektron-Neutrino und so weiter und so fort.
Und wenn ich jetzt hier einen Detektor unterbringe irgendwo, der zum Beispiel nur auf Elektro-Neutrino anspricht,
dann werde ich hier ein Maximum der Intensität für meine Elektron-Neutrinos finden,
und hier werde ich zum Beispiel nichts finden, das heißt, die Neutrinos oszillieren, sie oszillieren als Funktion der Zeit
oder nachdem sie - die Massen sind sicher klein - mit praktisch Lichtgeschwindigkeit laufen,
werden sie auch als Funktion des Ortes in dieser Weise oszillieren.
Und es sind gerade diese Neutrino-Oszillationen, über die ich Ihnen ein bisschen ausführlicher berichten möchte,
denn wir sind gerade dabei, auf diesem Sektor ein Experiment zu unternehmen.
Nun lassen Sie mich - aber das will ich vielleicht kurz machen - ein bisschen ganz kurz den Formalismus schildern,
wie diese Oszillationen zustande kommen.
Wir haben also vorher gesehen, dass wir die Annahme machen, dass Elektron-Neutrinos zum Beispiel eine Mischung sind
aus diesen beiden Sorten von stabilen Neutrinos Ny 1 und Ny 2, und wir fragen uns jetzt,
wie sieht es als Funktion der Zeit aus, wenn ich so ein Elektron-Neutrino produziere und das bewegt sich dann durch den Raum.
Nun, die allgemeine Zeitabhängigkeit einer Wellenfunktion in der Quantenmechanik lässt sich so formulieren,
wie ich sie hier angedeutet habe.
Wir nehmen die Wellenfunktion zu irgendeiner Zeit, zum Beispiel zur Zeit Null und multiplizieren sie dann mit diesem Faktor,
um die Zeitabhängigkeit zu bekommen, wobei ich atomare Konstanten der Einfachheit halber hier immer auf 1 setze,
und wenn ich dieses konsequent auf diese Formel hier anwende, dann sehen Sie, dann bekomme ich die Zeitabhängigkeit
für so ein Elektron-Neutrino in dieser Form hier, wobei E1 einfach die Energie ist,
die zu dem Teilchen Ny 1 gehört und E2 die Energie ist, die das Teilchen Ny 2 besitzt,
und das ist also dieser Mischungswinkel, der da oben steht.
Als Beispiel gebe ich Ihnen hier etwa einen Kernspaltungsreaktor an, der also Elektron-Antineutrinos emittiert,
und das bedeutet, dass am Orte oder zur Zeit Null keine Myonen-Neutrinos da sind,
also im Zentrum des Reaktors entstehen Elektron-Neutrinos.
Und jetzt bewegen sich die nach außen, und die Wahrscheinlichkeit, zur Zeit t dann ein solches Elektron-Neutrino aufzufinden,
ist also durch diesen Ausdruck hier gegeben oder zumindest proportional zu diesem Ausdruck.
Die lässt sich dann also ganz leicht in dieser Form schreiben, wobei Sie sehen,
das hier eingeht zunächst einmal der Mischungswinkel und dann die Energiedifferenz dieser beiden Neutrinos Ny 1 und Ny 2.
Das ist ganz analog wie bei einer Schwebung, wenn Sie so eine Schwebung von zwei Wellen mit zwei Frequenzen
oder mit zwei Energien haben, dann geht ja auch immer die Energiedifferenz
oder die Frequenzdifferenz bei einer solchen Schwebung ein.
Und wenn Sie diesen Ausdruck jetzt, dieses E2 minus E1 mal der Zeit dann noch ein bisschen umformen,
das ist also ganz trivial, diese Umformung, unter der Annahme, dass also der Impulsterm groß ist gegenüber dem Massenterm,
dann bekommen Sie also einen Ausdruck, den Sie so schreiben können: Abstand D vom Erzeugungsort der Neutrinos
dividiert durch eine Länge, die ich die Oszillationslänge nenne, die mir einfach angibt,
wann diese Intensität raufgeht und runtergeht.
Und wenn ich also noch diesen Parameter, der der wesentliche Parameter hier außer dem Mischungswinkel ist,
nämlich M2^2 minus M1^2, die Massendifferenz der beiden beteiligten Neutrinos, wenn ich den Delta M^2 nenne,
dann komme ich zu einer Oszillationslänge, die ich mal hier in Formeln angeschrieben habe.
Wenn ich die in Meter angebe und die Energie der Neutrinos oder den Impuls in MeV und diese Massendifferenz in eV^2,
dann kriege ich also hier ein Ausdruck für diese Oszillationslänge, für die ich Ihnen gleich noch Beispiele zeigen werde.
Wichtig ist also - wie Sie sehen - das Ding geht nur, wenn das Delta M^2 von 0 verschieden ist,
nur dann bekomme ich hier überhaupt etwas heraus, wenn nämlich das Delta M^2 gleich 0 ist,
dann wird dieser ganze Ausdruck hier einfach 0 und dann steht hier einfach eine 1, und das ist dann nichts Besonderes,
dann ist keine Zeitabhängigkeit vorhanden.
Eine Zeitabhängigkeit kriege ich nur, wenn dieser Ausdruck von 0 verschieden ist, und dazu muss das Delta M^2,
also die beiden Massen meiner beiden Neutrinos, die müssen tatsächlich verschieden sein.
Nun ein paar Beispiele für solche Neutrinomassen und was da für Oszillationslängen rauskommen,
das ist jetzt natürlich reine Spekulation, wir haben keine Ahnung, was wir da erwarten dürfen.
Ich habe also jetzt mal hier drei Beispiele, nämlich einen Reaktor,
eine Mesonenfabrik und einen Hochenergiebeschleuniger hier außen untergebracht
und gebe Ihnen die Oszillationslängen für zwei verschiedene hypothetische Massendifferenzen an.
Wenn wir annehmen, die Massendifferenz ist 1 eV^2 oder 10-3 eV^2, dann kriegen wir Oszillationslängen folgender Form:
Für den Reaktor 2,5 Meter - das ist eine anständige Differenz, wo man messen kann, für die Mesonenfabrik 25 Meter -
ist auch sinnvoll, und für einen Hochenergiebeschleuniger 2,5 Kilometer - ist auch noch sinnvoll.
Wenn ich dagegen annehme, dass die Massendifferenz einen Faktor 10^3 niedriger liegt,
dann komme ich schon beim Reaktor auf 2,5 Kilometer Entfernung, das sind Distanzen, da ist einfach keine Intensität mehr da,
denn Intensität geht ja mit 1 durch R^2 mit dem Abstand runter, da kann man nicht mehr messen,
Mesonenfabrik ist auch uninteressant und 2.500 Kilometer, das ist erst recht uninteressant, da kann man nicht mehr messen.
Also, man wird annehmen können, vielleicht kann man hier noch einen Faktor 100 oder so runtergehen,
aber das ist sicher schon ein Faktor 1.000, das ist sicher schon zu viel.
Man könnte auch mit einem Beschleuniger annehmen, dass man vielleicht auf 250 Kilometer Entfernung noch messen kann,
denn diese Neutrinos sind nach vorne gepikt, die Intensität geht also in Vorwärtsrichtung.
Und in der Tat hat es mal einen Versuchsvorschlag bei Cern gegeben, so einen Neutrino-Detektor zu bauen,
den einen direkt vor den Beschleuniger zu stellen und ihn dann wegzunehmen und dann hinter die Juraberge zu tragen,
in die Schweiz hinüber, und dann noch einmal zu sehen, ob da noch irgendeine Intensität da ist,
so im Abstand von 100 Kilometer oder so.
Das ist im Prinzip vielleicht möglich, aber zunächst wird ein solches Experiment noch nicht gemacht.
Nun, den Rest dieser Tabelle, den wollen wir unterdrücken, und ich möchte Ihnen jetzt ganz kurz -
und nur damit Sie ein bisschen eine Idee bekommen, ohne auf Einzelheiten einzugehen - zeigen,
wie solche Oszillationen jetzt aussehen würden, wenn wir sie messen an einem Kernspaltungsreaktor, und das ist das,
was wir in der Tat in unserer Gruppe vorhaben.
Ich habe ein paar Formeln da oben angeschrieben, die die Ausdrücke etwas definieren,
aber das ist vielleicht jetzt gar nicht so wichtig, mit einer Ausnahme: Wenn wir keinen Mischungswinkel hätten,
wenn der Mischungswinkel null wäre, dann gäbe es auch keine Neutrino-Oszillation, dann fällt das Ganze weg.
Es ist also Voraussetzung, dass der Mischungswinkel einen endlichen Wert hat, und zwar einen möglichst großen, wenn möglich,
das erleichtert die Experimente, aber wir haben über diesen Mischungswinkel selbst
im Augenblick keine theoretischen Vorstellungen, es gibt da nicht einmal anständige Spekulationen darüber.
Nun, unter der Annahme, dass wir es mit einer Punktquelle zu tun haben, dass also der Reaktor nahezu punktförmig ist,
und das heißt auf Deutsch, dass seine Ausdehnung klein ist gegenüber der Oszillationslänge, unter Annahme,
dass wir maximalen Mischungswinkel haben, das heißt in dem Fall Theta = Pi1/4, und unter der Annahme,
einer willkürlichen Annahme, dass diese Massendifferenz vorliegt,
habe ich Ihnen hier einmal so Neutrino-Oszillationen angemalt, mit dem Computer gerechnet, wie wir sie kriegen würden,
wenn wir mit einem Kernspaltungsreaktor arbeiten und einfach den Abstand vom Reaktor verändern.
Welche Intensität beobachten wir, wenn wir unseren Detektor sozusagen vom Reaktor wegbewegen,
an verschiedenen Stellen unterbringen, D ist einfach der Abstand vom Zentrum des Reaktors, so ein paar Meter,
so typisch zwischen 0 und 30 Metern, das sind so Distanzen, die man vielleicht einfach verwenden kann.
Ich habe das hier für verschiedene Energieintervalle aufgetragen, vielleicht nehmen wir erst mal dieses da,
von 4 bis 10 MeV, das ist so etwa der Bereich des Spektrums, der uns an einem Kernspaltungsreaktor zur Verfügung steht.
Und da sehen Sie, da ändert sich die Intensität also in dieser Form, das heißt, wenn ich hier meinen Detektor aufstelle
so bei 13 Metern oder so, dann kriege ich also ganz wenig, und wenn ich ihn hier bei 20 Meter aufstelle,
kriege ich also ganz viel Neutrino-Intensität.
Und wenn ich jetzt meinen Energieintervall variiere, dann sehen Sie, dann ändern sich diese Oszillationen ganz gewaltig,
man kann also nicht nur als Funktion der Entfernung messen, sondern man kann auch als Funktion der Energie im Prinzip messen,
und das ist das, was wir in der Tat vorhaben.
Nun, wie sieht die experimentelle Situation auf dem Bereich dieser Suche nach möglichen endlichen Neutrinomassen
oder genauer, nach Neutrino-Oszillationen, aus. Ehe ich Ihnen das sage - aber noch ein Vorwort.
Man könnte natürlich solche Neutrinomassen auch anders messen im Prinzip, man könnte andere Experimente anstellen,
zum Beispiel, man kann ja direkt ein Betaspektrum vermessen und kann dann vielleicht dort die Genauigkeit
immer genauer treiben, es gibt noch viele andere Vorschläge, die man machen könnte,
all diese Vorschläge sind aber nicht konkurrenzfähig gegenüber solchen direkten Messungen von Neutrino-Oszillationen,
denn bei diesem Experiment handelt es sich um ein Interferenz-Experiment.
Und ein solches Experiment ist grundsätzlich immer sehr viel genauer, als wenn man Absolutbeträge, genauer,
die Absolutbeträge von quantenmechanischen Wahrscheinlichen direkt misst, das heißt, wenn überhaupt,
ist dieses Oszillationsexperiment um viele Größenordnungen allen anderen direkten Messungen von Massen überlegen.
Welche Experimente gibt es bisher, die sich mit solchen Neutrino-Oszillationen beschäftigen?
Genau genommen gibt es gar keine, das sind nur nachträgliche Analysen schon gemachter Experimente,
die für andere Zwecke gemacht worden sind, die ich hier aufführe, und die man dann natürlich noch einmal rückanalysieren kann,
um zu sehen, welche Grenzen folgen denn jetzt für mögliche Neutrinomassendifferenzen aus diesen Experimenten.
Bei Cern am Gargamel, wurde eine Messung gemacht, immer maximaler Mischungswinkel angenommen,
und die Energien sind hier angegeben, aus dem man den Schluss ziehen kann, dass wenn maximale Mischung vorliegt,
dass die Neutrino-Massendifferenz kleiner als 1 eV^2 sein muss.
Das ist sozusagen jetzt die experimentelle Grenze, die wir haben.
Los Alamos, Yale hat einen Proposal, einen Vorschlag, und die glauben, dass sie mit ihrem Beschleuniger,
das ist also die Mesonenfabrik in Los Alamos, eine Grenze erreichen können von kleiner 0,5 eV^2.
Schließlich gibt es am Savannah River die Gruppe von Professor Reines und Mitarbeitern,
das sind eigentlich die Pioniere auf diesem Gebiet, die seit 30 Jahren sich mit Elektronen-Neutrinos beschäftigen,
und die schließen durch Rückanalyse ihrer früheren Experimente, dass die Massendifferenz kleiner als 0,3 eV^2 sein sollte.
Wir planen an dem deutsch-französisch-britischen Höchstflussreaktor in Grenoble, in Frankreich, am sogenannten ILL,
dem Institut Laue-Langevin, ein Experiment, das sich in einem sehr fortgeschrittenen Stadium des Aufbaus befindet, wir heißt,
wir sind drei Gruppen, eine Gruppe aus USA vom Caltech , die Namen will ich nicht vorlesen, sie stehen hier,
eine Gruppe von Grenoble, vom Institute de science nucléaire, eine französische Gruppe
und unsere Gruppe in München von der Technischen Universität.
Wir planen, diese Reaktion zum Nachweis der Neutrinos zu verwenden in genau der gleichen Form, diese Reaktion ist dieselbe,
wie sie Reines seit Jahrzehnten für die Messung des Wirkungsquerschnitts dieser Reaktion verwendet hat,
wir verwenden allerdings eine andere Messtechnik, dieselbe Reaktion - aber eine andere Messtechnik.
Der Wirkungsquerschnitt, der von Reines und Mitarbeitern gemessen worden ist - das geht, wie gesagt, über Jahrzehnte schon -
liegt in der Größenordnung 10^-43 cm^2, dabei kriegt man als Physiker den Schüttelfrost, wenn man solche Zahlen sieht,
auch als Physiker, sollte ich sagen, die sind nämlich wirklich ungeheuer klein, und das ist also genau diese Aussage,
die ich anfangs gemacht hatte, dass die Erde transparent ist gegenüber solchen Neutrinos.
Diesen Wirkungsquerschnitt wollen wir noch einmal messen, denn - wie gesagt - diese Messung steht einzig
und allein da seit Jahrzehnten, und es ist natürlich immer nötig, dass man solche Messungen, die derartige Bedeutung haben,
noch einmal mit unabhängigen Methoden, also mit anderen Messmethoden nachprüft.
Nun, ganz kurz vielleicht - auch wieder nur etwas mehr für die Kenner - eine Darstellung des Verlaufes der wesentlichen Größen, die bei einem solchen Experiment eingehen, nämlich einmal die Energieverteilung der Neutrinos oder der Antineutrinos,
die von einem Kernspaltungsreaktor emittiert werden, die ich also hier angegeben habe, und zwar für verschiedene Berechnungen.
Eine solche Energieverteilung lässt sich nur sehr schwer direkt messen, Messungen sind zurzeit im Gange,
aber da gehen so viele Korrekturen ein, dass man das mit Theorie kombinieren muss, und die Schwierigkeit ist einfach,
dass wir heute bei der Kernspaltung wissen, dass so an die 720 verschiedene Spaltprodukte dabei entstehen.
Und von etwa 200 dieser Spaltprodukte kennt man heute die Zerfallsschemen und über die anderen 500
muss man einfach geeignete theoretische Spekulationen anstellen, die heute sehr weit gediehen sind,
aber sich eben doch unterscheiden, und dadurch kommen solche Unterscheidungen im Verlauf des Antineutrinospektrums zustande.
Weiterhin geht ein der Wirkungsquerschnitt für die Elektronen-Antineutrinos, der steigt in der Form,
wie ich es hier angezeichnet habe, quadratisch mit der Energie an, zumindestens in diesem Energiebereich, im MeV-Bereich.
Wenn sie zu Großbeschleunigern gehen, also bei Cern im GeV-Bereich, da geht das dann linear mit der Energie
aus Formfaktorgründen, aber hier geht das sozusagen quadratisch, das heißt, gerade die hohen Energien sind das Interessante,
aber das sind natürlich gerade die Energien, bei denen die Beta-Teilchen besonders geringe Energien haben,
Neutrinos hohe Energie, Beta-Teilchen niedrige Energie.
Und wenn ich diese beiden Dinge zusammenfalte, wenn ich die miteinander multipliziere, also diese Frage,
wie viel Neutrinos bekomme ich denn von meinem Reaktor und wie ist denn der Wirkungsquerschnitt, das ist eigentlich die Größe,
die uns vor allem interessiert, dann sieht das also so aus, wir haben also in der Gegend von 4 MeV
etwa ein Maximum unserer Verteilung, das ist also da, wo unsere experimentelle Empfindlichkeit dann eben besonders gut sein wird.
Nun, wie sieht so ein Experiment aus - zumindest in unserem Fall, im Fall unseres geplanten Experimentes.
Was wir da tun ist Folgendes: Noch einmal die Reaktion, oben, die ich schon erwähnt habe, das ist also,
was wir nachweisen wollen, es kommen also Elektron-Antineutrinos vom Reaktor, und die fallen in einen Szintillator ein,
das ist also ein Volumen, gefüllt mit Szintillationsflüssigkeit, Details und Maßangaben sehen Sie dann später,
jetzt bloß das Prinzip, eine speziell produzierte Szintillationsflüssigkeit,
speziell für dieses Experiment gemacht mit ganz besonderen Eigenschaften.
An dieser Stelle findet also jetzt eine dieser seltenen Reaktionen statt mit einem Proton,
dieser Szintillator ist ganz besonders reich an Protonen, dieses Proton wird also jetzt hier zerfallen in ein Neutron
und in ein Positron.
Das Positron, das hat eine Energie von einigen MeV hier, das bewegt sich eine Weile hier und wird schließlich zur Ruhe kommen
und dann in zwei Gammaquanten zerfallen, und dieses ganze Sammelsurium hier an elektromagnetischen Strahlungen,
was da zustande kommt, das wird dann hier in diesen Multipliern direkt beobachtet.
Das Neutron, was gleichzeitig entsteht hier, dieses Neutron hat Energien, die relativ gering sind,
vielleicht der Größenordnung 10 keV, das wird moderiert, das heißt, es erleidet viele Zusammenstöße mit den Protonen,
die hier drin sind und in anderen leichten Elementen, es wird also immer langsamer werden u
nd wird dann schließlich irgendwo da hinüber diffundieren in einen Helium 3-Zähler,
und das Helium 3 spricht ganz besonders stark mit ganz besonders hohen Wirkungsquerschnitten auf thermische Neutronen an,
wird also dann hier absorbiert werden.
Bei der Absorption entsteht dann ein Tritium und ein Proton, und diese beiden produzieren wieder einen elektrischen Impuls
an den Drähten, die sich in diesem Zähler befinden, und so kann man also dieses Neutron nachweisen.
Voraussetzung ist, dass das Neutron thermisch ist, also die 10 kV, die es hier hat, die sind zu viel,
die müssen erst runtergebremst werden, das ist entscheidend, es muss erst verlangsamt werden,
denn nur dann haben wir diesen schönen, hohen Wirkungsquerschnitt, diese schöne hohe Nachweisempfindlichkeit,
die wir gerne hätten.
Ganz kurz die Pulse, die wir beobachten, einmal hier und einmal hier, die sehen dann also etwa so aus,
an dem Protonen-Szintillator bekommen wir eine Impulsverteilung dieser Form.
Wichtig ist dabei, dass wir Auflösungen von etwa 18 Prozent bei 1 MeV erreichen können, das ist nicht schlecht,
das ist für Untergrundsfragen natürlich wichtig, die Auflösung so gut wie möglich zu haben und auch für die Energieauflösung,
die man dann insgesamt haben möchte.
Bei den Helium-3-Zählern haben wir Impulsformen dieser Art, ich habe ja gesagt, es entsteht ein Proton und ein Tritium,
wenn ich sie also beide zusammen erwische im Zähler, wenn nicht eins wieder rausfliegt,
dann kriege ich also alle Energie zusammen, das sind dann etwa 764 keV, und wenn mir eins auskommt -
das wird vor allem das Proton sein - dann kriege ich also etwas weniger Impulsgröße.
Das Neue an unserem Experiment sind diese Helium-3-Zähler.
Diese Helium-3-Zähler sind sehr schwierig zu bauen, da hat uns ungeheuer die jahrelange Entwicklung
am ILL in Grenoble geholfen, man weiß dort, wie man solche Dinge macht, das ist ja immer eine Kollaboration
zwischen vielen Leuten, die so komplizierte Dinge überhaupt ermöglichen, und zweitens hat uns Frankreich sehr geholfen,
man hat uns die sogenannte strategische Reserve des Landes an Helium-3 zur Verfügung gestellt,
wir haben also 400 Liter Helium-3, das ist eine ungeheuer teure Substanz, die stehen uns zur Verfügung.
Wir zittern natürlich, dass uns das irgendwie mal auskommt oder dass da irgendetwas mit passiert,
man hat also keinen ruhigen Schlaf mehr, wenn man solche Experimente macht.
Nun, soweit also zu den Pulsen und wie die aussehen, und jetzt vielleicht noch ein paar experimentelle Einzelheiten,
die vor allem für die Experimentalphysiker von Ihnen von Interesse sind.
Die Neutronen müssen abgebremst werden, wie ich Ihnen gesagt habe, und das geht relativ langsam vor sich.
Wir haben etwa es nötig, so Größenordnung 200 Mikrosekunden lang zu warten,
bis wirklich die Masse dieser Neutronen abgebremst ist, das heißt, wir machen eine verzögerte Koinzidenz
zwischen den Protonen im Szintillator und den Neutronen in dem Helium-3-Zähler, und leider sind die Verzögerungszeiten,
die Öffnung des Fensters, recht lang, und man kriegt natürlich recht viel Untergrund in solchen langen Zeiten,
das ist das Problem dieses Experimentes.
Nun kann man gegen den Untergrund eine Menge Dinge tun, ich erwähne hier nur eines unserer wichtigsten Dinge, die wir tun.
Man hat zum Beispiel Untergrund der dadurch kommt, dass aus der kosmischen Strahlung sehr viele Myonen kommen,
sehr schnelle Teilchen, und diese Myonen können Unfug machen, die können in unserem Zähler ein schnelles Neutron erzeugen,
was ganz unerwünscht ist, und dieses schnelle Neutron macht einen Protonenrückstoß, wenn es mit Protonen zusammentrifft,
und dann sieht es so aus, als wenn wir ein Proton bekommen hätten von einem wirklichen Ereignis,
obwohl es ein falsches Ereignis ist.
Solche Protonenrückstöße können wir - da wir ja über den Myoneneinfall Bescheid wissen,
wie ich Ihnen noch zeigen werde - eliminieren durch Pulse Shape Discrimination-Techniken, indem wir nämlich ausnützen,
dass Protonen und Positronen verschiedene Formen ihrer elektrischen Impulse haben, die wir in dem Szintillator beobachten.
Das hängt einfach damit zusammen, dass diese Zerfallszeiten, die ich hier angedeutet habe, verschieden sind,
dass die Protonen mit den Molekülen in anderer Form in Wechselwirkung treten als die Positronen.
Die Protonen erzeugen insbesondere langlebige Moleküle und die Positronen mehr kurzlebige,
sodass die Zerfallskonstanten verschieden sind, und das kann man dann ausnützen,
um diese Teilchen von diesen Teilchen zu trennen und insbesondere diese falschen Protonen zu identifizieren.
Mithilfe dieser Technik werden wir sicher eine Reduktion unseres gefährlichen Untergrunds,
und das ist der gefährlichste Teil des Untergrundes, um einen Faktor zwischen 10 und 100 bewerkstelligen können.
Zum Schluss möchte ich noch ein paar Angaben machen, darüber, was wir uns erwarten.
Zunächst einmal, wir benutzen den Grenobler Reaktor - wie ich schon erwähnt habe - der ein recht mickriger Reaktor ist,
wenn wir so an Kernkraftwerksreaktoren denken.
Das sollte man vielleicht auch ein bisschen klarer machen in der Presse, dass die Forschungsreaktoren dieser Art,
die wir für unsere Neutronen-Experimente verwenden, dass das harmlose Reaktoren sind
vergleichsweise zu Kernkraftwerksreaktoren, ihre Leistung ist einfach viel geringer,
obwohl das der zurzeit modernste Forschungsreaktor ist, der irgendwo auf der Welt existiert.
Wir haben also 57 Megawatt Leistung, und man könnte fragen, warum gehen wir nicht gleich an einen großen Reaktor,
man könnte nämlich an einen Kernkraftreaktor gehen, an einen Leistungsreaktor zur Elektrizitätserzeugung.
Solche Leistungsreaktoren haben typisch Größenordnung 3.000 Megawatt thermische Leistung,
die thermische Leistung ist noch ein Faktor 3 höher als die elektrische Leistung, man könnte also fast einen Faktor 100 gewinnen.
Der Grund, warum wir trotzdem in Grenoble mit diesem kleinen, relativ kleinen Reaktor anfangen,
liegt einfach darin, dass wir es dort mit einer nahezu punktförmigen Neutrinoquelle zu tun haben, das ganze Brennelement,
da ist nur eins drin, hat 40 Zentimeter Durchmesser, und das ist ungeheuer klein,
und wenn man so kurze Oszillationen messen möchte, muss man kleine Dimensionen haben.
Später, wenn wir dann vielleicht so Dimensionen von 100 Metern oder so gehen, große Abstände vom Reaktor vermessen,
dann gehen wir natürlich an einen dieser gefährlichen Kernkraftreaktoren, aber das ist also noch in der Zukunft.
Wir beabsichtigen einfach mit zwei Distanzen in Grenoble, nämlich 8,5 und 15 Metern zunächst zu messen
und dabei auch die Energie aufzulösen, wie ich das kurz angedeutet hatte.
Später dann also ein Kernkraftwerksreaktor mit sehr viel höherer Leistung und dann Distanzen von vielleicht 10 bis 100 Metern.
Dann ist noch zu diskutieren die Möglichkeit eines gepulsten Reaktors, ich will gerade die Tagung in Lindau benützen,
um mit einigen Kollegen darüber zu diskutieren.
In Dubna, in der Sowjetunion, gibt es einen ganz ungeheuer interessanten neuen Reaktor, das ist ein sehr gefährlicher Typ,
und man ist da also wirklich ein bisschen in Sorge, wenn man sich in einem solchen Ding bewegt,
das sind einfach im Prinzip zwei Atombomben, die unterkritisch sind, und die lassen sie dann rotieren,
und die lassen sie dann zusammenkommen, und im Augenblick des Zusammenkommens, haben sie sozusagen eine Atomexplosion,
aber dann führen sie sie so schnell wieder auseinander, dass das Ding nicht ganz hochgeht,
sondern dass sie nur einen ganzen starken Puls an Neutronen kriegen und rechtzeitig sozusagen wieder weggehen.
Nun, es ist nicht auszudenken, was passiert, wenn so ein Ding mal stecken bleibt,
aber dafür hat man natürlich schon Vorsichtsmaßnahmen geeigneter Art ergriffen, denn man soll nicht annehmen,
dass wir Wissenschaftler potenzielle Selbstmordkandidaten sind, da sind wir weit davon entfernt, zumindest die meisten von uns.
Nun, so ein gepulster Reaktor wäre eventuell für so ein Experiment deswegen interessant,
weil natürlich so ein starker Puls nur in einer kurzen Zeit sich ereignet,
und unser Problem ist bei einem solchen Experiment der Untergrund, und man könnte dann die Apparatur abschalten,
während der Reaktor nicht arbeitet und würde dann ein sehr viel besseres Verhältnis von Signal zu Untergrund kriegen,
und das ist der Grund, warum so ein gepulster Reaktor im Prinzip interessant wäre, in der Praxis aber vielleicht doch nicht,
weil leider die Betazerfälle relativ langsam vor sich gehen, und man muss sich sehr genau überlegen,
ob so ein Puls auch lang genug ist, dass man in der Tat ein Gewinn im Verhältnis von Signal zu Untergrund bekommt.
Wenn man nämlich das Fenster dann doch wieder so lange auflassen muss, dass das Ding schon wieder den nächsten Puls liefert,
wenn man mit der alten Messung gerade fertig ist, dann bringt so ein Reaktor natürlich nichts.
Das sind Dinge, die müssen erst noch diskutiert werden, darüber haben wir bisher noch nicht gesprochen.
Nun, was wir uns erwarten von einem solchen Experiment, das sind Zählraten, Signalzählraten,
im günstigsten Fall von etwa 3 Impulsen pro Stunde, das klingt also sehr hart, ist aber eigentlich gar nicht schlecht,
dann Untergrundsraten, und das ist natürlich das Wichtige, von etwa 1 Impuls pro Stunde.
Das ist das Ziel, das ist aber ein theoretisches Ziel, vor etwa einer Woche haben wir gerade begonnen,
unsere ersten Daten aufzunehmen, wir sind noch nicht an dieser Rate im Augenblick,
aber wir sind auch noch nicht ganz fertig mit dem Aufbau des Experiments, aber es sieht so aus,
als wenn die Sache gar nicht so weit von den theoretischen Vorhersagen entfernt ist,
insbesondere nachdem die Helium-3-Zähler in der Tat besser laufen, als wir ursprünglich angenommen hatten.
Nun, die Abschirmung gegen den Untergrund ist natürlich das A und O eines solchen Experimentes,
und zwar sowohl eine Abschirmung gegenüber dem Reaktor als auch eine Abschirmung gegenüber falscher Strahlung,
die aus der kosmischen Strahlung kommt, und da haben wir natürlich ganz besondere Maßnahmen ergriffen.
Lassen Sie mich nun zum Schluss - bloß um Ihnen einen ganz kurzen Eindruck zu geben, die Messungen laufen, wie gesagt,
gerade an - noch zwei Dias zeigen.
Im ersten Bild möchte ich Ihnen zeigen, wie so ein Apparat im Herzen aussieht.
Das ist also das Zentrum der Anordnung, die Dimensionen sind hier angegeben, das sind also etwa 80 cm hierüber
und etwa 130 cm nach hier oben raus, wir haben 30 solcher einzelnen Protonenzähler,
das sind diese Szintillationszähler mit ihren Multipliern, von denen ich Ihnen vorher schematisch einen gezeigt habe,
zwischendrin jeweils eine Helium-4-Vieldraht-Zählkammer, dann wieder eine solche Ebene von Szintillationszählern,
insgesamt also 30 von der Sorte und 4 von diesen Helium-3-Zählern, die da insgesamt vorkommen.
Das ist also das Herz der Apparatur, und diese Apparatur muss nun natürlich sorgfältigst eingewickelt werden,
um sie gegen äußere Strahlung abzuschirmen, damit also keine falsche Strahlung kommt, wie gesagt -
die Zählrate in der ganzen Anordnung günstigstenfalls 3 pro Stunde.
Und das nächste Bild zeigt Ihnen, wie diese Gesamtanordnung dann aussieht.
Also hier sehen Sie wieder diesen Zähler, also die Dimension ist etwa 1,30 Meter von hier bis hier,
den ich Ihnen gerade gezeigt habe.
Das Ganze ist dann umgeben - das ist ein Wägelchen, man muss natürlich das reinschieben können in dieses Abschirmhaus
und wieder rausholen können, denn so eine Apparatur hat natürlich ihre Tücken, und da geht natürlich alles mögliche kaputt.
Wir haben allein hier 132 solcher Multiplier sitzen, und dass die alle gleichzeitig gut gehen, das ist einfach nicht möglich,
wie man weiß, also muss man, bis man das alles richtig in Schuss hat, hier öfters raus und rein, es muss also so gebaut sein,
dass leichter Zugang möglich ist - diese zentrale Apparatur ist also umgeben zunächst von Polyethylen,
und zwar um die Neutronen abzubremsen, das ist also besonders leichtes Material, was eine gute Neutronenabbremsung erzeugt,
ist dann nach außen hin umgeben von einem sogenannten Veto-Zähler, das sind Antikoinzidenzzähler,
die von allen sechs Seiten diesen nahezu kubusförmigen Apparat abschließen und die uns melden,
ob irgendein Teilchen von außen, ein geladenes Teilchen von außen eintritt.
Also, diese Antikoinzidenz, die Sie auch hier sehen, ist das nächste, und dann kommen 20 cm Bleiabschirmung nach außen hin,
das ist Spezialblei mit besonders niedriger natürlicher Radioaktivität,
die natürliche Radioaktivität spielt bei diesem Experiment eine entscheidende Rolle, und wir haben unheimlich viel unternommen,
um die Aktivität in dem Material, was hier verwendet wird, möglichst niedrig zu drücken, also eine Bleiabschirmung,
und dann wird das Ganze hier reingeschoben und ist dann also völlig dicht gegenüber der Außenwelt.
Zusätzlich noch ein zweiter Veto-Zähler hier oben, was mit Veto 2 bezeichnet ist, damit wir die Möglichkeit haben,
zumindest von oben hin die Myonen-Strahlung, die hier durchläuft,
noch einmal gesondert zu kontrollieren und ganz sicher zu identifizieren.
Nun, das gibt Ihnen so ein bisschen einen Eindruck, was diese Leute dort in Grenoble,
was unsere Gruppe dort in Grenoble in dem Keller unterhalb des Reaktors treibt.
Wir sitzen also direkt unter dem Reaktor, der Reaktor läuft also über uns, das sind ideale Abschirmbedingungen.
Wir haben auch den Vorteil, dass uns dort unten niemand sieht, niemand besucht,
und man dort in Ruhe arbeiten, fernab von jeder Bürokratie, die würden es nie wagen, da hinunter zu kommen,
es ist also ein sehr lustiges Leben, was wir dort haben, und ich hoffe,
dass ich Ihnen vielleicht auf einer der nächsten Tagungen dann von diesen Ergebnissen dieses lustigen Lebens berichten kann.
Vielen Dank!