Liebe Studenten,
meine sehr verehrten Damen und Herren.
Ich möchte heute …
(Applaus).
Ich möchte heute einiges über Neutrinos erzählen, ein Gebiet,
was in den letzten Jahren sehr in den Brennpunkt des physikalischen Interesses gerückt ist.
Und möchte da, weil ich aus Deutschland komme, mit einigen historischen Bemerkungen beginnen.
Ich fang’ nicht bei den alten Griechen an, sondern etwa um das Jahr 1930 bei Wolfgang Pauli,
der eigentlich der Erfinder der Neutrinos ist.
Erfinder im besten Sinne des Wortes, es war damals eine Notlösung, die sich später als richtig herausgestellt hat.
Lassen Sie mich ganz kurz die Problematik, die in den 30er Jahren vorlag, schildern.
Man hatte den radioaktiven Beta-Zerfall gesehen, bei dem ein Atomkern mit der Ordnungszahl Z
und der Emission eines Elektrons in einen neuen Atomkern mit der Ordnungszahl Z+1 übergeht.
Da der Anfangskern und der Endkern beide durch eine wohldefinierte Energie ausgezeichnet sind,
sollte man annehmen, dass das Elektron dann eben, abgesehen von seiner eigenen Masse, diese Energiedifferenz mitbringt,
dass also eine scharfe Energie des rauskommenden Elektrons beobachtet wird.
Dem war jedoch nicht so, man wusste zu dieser Zeit, dass das Elektronenspektrum nicht eine scharfe Energie hatte,
sondern dass es ein ganzes Spektrum war, bis herauf zu einer maximalen Energie, die dieser scharfen erwarteten Energie entsprach.
Das war ein Rätsel, dieses Spektrum zu verstehen, denn es sah ja so aus, als wenn der Energiesatz nicht mehr gültig wäre,
und in der Tat hat kein geringerer als Niels Bohr damals die Bereitschaft gezeigt,
diesen Energiesatz in diesem speziellen Fall zu opfern.
Wolfgang Pauli schätzte das gar nicht und er hat sich viel den Kopf zerbrochen und ich möchte vielleicht einen Brief zitieren,
den er damals geschrieben hat, um auch den Studenten etwas zu zeigen,
dass wissenschaftliche Entwicklung meistens aus Fehlschlägen, Rückschlägen und einem Zickzack-Kurs besteht
und dass wir nur gelegentlich das Glück haben, mal das richtige, ich möchte fast sagen, zu erraten oder zu finden.
Wolfgang Pauli hat nämlich zunächst einmal angenommen, dass außer diesem Elektron hier, noch etwas anderes emittiert wird,
und zwar einfach ein gewöhnliches Gammaquant und er glaubte, das habe man einfach zunächst experimentell noch nicht gesehen
und er äußerte sich diesbezüglich in folgender Weise, und ich zitiere jetzt aus einem Brief,
den er an Klein im Februar 1929 geschrieben hat.
Ich zitiere also jetzt:
„Ich selbst bin ziemlich sicher, Heisenberg nicht so unbedingt,
dass Gammastrahlen die Ursache des kontinuierlichen Spektrums der Betastrahlen sein müssen,
und dass Niels Bohr mit seinen diesbezüglichen Betrachtungen über eine Verletzung des Energiesatzes
auf vollkommen falscher Fährte ist.
Auch glaube ich, dass die wärmemessenden Experimentatoren irgendwie dabei mogeln
und die Gammastrahlen ihnen nur in Folge ihrer Ungeschicklichkeit bisher entgangen sind.
Aber ich verstehe zu wenig von Experimentalphysik, um diese Ansicht beweisen zu können
und so ist Bohr in der für ihn angenehmen Lage,
unter Ausnutzung meiner allgemeinen Hilflosigkeit bei der Diskussion von Experimenten sich selber
und mir unter Berufung auf Cambridgescher Autoritäten, übrigens ohne Literaturangabe, da etwas Beliebiges vormachen zu können.“
Soweit also das Zitat von Wolfgang Pauli.
Nun, Wolfgang Pauli hat dann im folgenden Jahr etwas mehr Zutrauen zu den Aussagen der Experimentatoren gefasst,
die gesagt haben, wir sehen einfach keine Gammastrahlen und hat dann das Neutrino erfunden.
Erfunden in dem Sinn, dass er sagte, außer dem Elektron hier wird noch ein Teilchen ausgesandt,
ein Teilchen, was er zunächst Neutron nannte.
Man hat dann später das Neutron für was anderes verwendet und nannte das dann Neutrino,
aus dem Italienischen, das „kleine Neutron“.
Also dieses Neutrino wurde sozusagen erfunden, um den Energiesatz zu retten,
und diese Erfindung hat sich dann später in der Tat als richtig herausgestellt.
Aber es dauerte immerhin bis zum Jahr 1956, bis es Reines und Cowan gelang, in einem direkten Experiment,
in einer direkten experimentellen Reaktion, die ich Ihnen hier aufgeschrieben habe und die ich noch mehr diskutieren werde,
den direkten Beweis zu erbringen, dieses Neutrino existiert.
Reines hat einfach Elektronen, Neutrinos - dieser Querstrich bedeutet Antineutrinos, das ist jetzt nicht so wichtig –
auf Protonen geschossen und hat dann ein Neutron und ein Positron erzeugt
und hat eben durch den Nachweis dieser beiden Teilchen gezeigt, so etwas gibt es wirklich, so ein Neutrino existiert.
Heute glauben wir, drei Sorten von Neutrinos zu kennen, die Elektron-Neutrinos,
die Myon-Neutrinos und wahrscheinlich auch die Tauon-Neutrinos.
Das Tauon hat man bereits gesehen, das zugehörige Neutrino noch nicht so richtig, aber man glaubt wohl, dass es existiert.
Die Neutrinos haben, wie ich vorher schon sagte, eine große Bedeutung im Augenblick in der Physik
und ich habe hier mal kurz die wesentlichen Gründe dafür zusammengestellt.
Einmal sind sie sehr interessant, weil sie ausschließlich der sogenannten schwachen Wechselwirkung unterliegen.
Fast alles, was wir heutzutage in der Physik messen, das unterliegt entweder der starken Wechselwirkung,
jener Wechselwirkung, die für die Zusammenhaltung der Atomkerne wesentlich ist,
oder aber zumindest der etwas schwächeren elektromagnetischen Wechselwirkung, wenn immer Ladungen damit verbunden sind,
dann gibt es eine elektromagnetische Wechselwirkung.
Diese sind sehr starke Wechselwirkungen im Vergleich zu der sogenannten schwachen Wechselwirkung,
die für diesen radioaktiven Zerfall hier oben verantwortlich ist und die man normalerweise nicht sehen kann,
weil eben diese stärkeren genannten Wechselwirkungen sie völlig überdecken.
Nur bei den Neutrinos ist es so, dass diese anderen Wechselwirkungen nicht da sind
und dass wir dann die schwache Wechselwirkung in Reinkultur studieren können.
Ein zweiter wesentlicher Grund, warum wir uns so für Neutrinos in diesen Jahren interessieren,
ist, dass die Neutrinos für die Reaktionen verantwortlich sind, die sich in der Sonne abspielen,
dass sie wesentlich sind für diese Reaktionen.
In der Sonne werden ja irgendwie Protonen, Wasserstoffkerne verschmolzen und man landet schließlich beim Helium.
So eine Verschmelzung von Protonen, die eine Umwandlung von Protonen in Neutronen beinhaltet, geht nur, wenn es Neutrinos gibt.
Das heißt, unsere Existenz beruht also letzten Endes auf der Existenz von Neutrinos.
Weitere Gründe sind, dass man sich heute bemüht, nach den großen Erfolgen,
die vor einigen Jahren Glashow, Weinberg und Salam hatten, die schwache, verzeihen Sie,
die elektromagnetische Wechselwirkung mit dieser schwachen Wechselwirkung zu vereinen.
Man bemüht sich nun, dieses Schema auszudehnen und auch die starke Wechselwirkung
unter einen einheitlichen Hut mit diesen anderen beiden Wechselwirkungen zu bekommen.
Auch hierbei dürften die Neutrinos eine große Rolle spielen, insofern als eine Massenskala
bei diesen Vereinigungsprinzipien eine Rolle spielt, über die man heute noch ganz wenig und verschwommenes weiß.
Das fokussiert die Aufmerksamkeit auf das Problem, welche Masse haben die Neutrinos,
haben sie überhaupt eine, und wenn ja, welche.
Und schließlich ganz kurz noch zum Schluss, die Astrophysiker und die Kosmologen,
vor allem die Astrophysiker sind sehr an den Neutrinos interessiert,
denn sie könnten ihnen helfen eine ganze Reihe von Problemen zu lösen und zu verstehen,
die ihnen im Augenblick große Schwierigkeiten machen.
Da ist nicht nur das Problem, ob unser Weltall, unser Universum ein offenes oder ein geschlossenes ist,
wir nehmen ja an, wie wir gerade im Vortrag von Herrn Alfvèn noch mal gesehen haben, dass unser Universum expandiert,
aber wir wissen nicht, ob das für immer so ist, oder ob es expandiert in verlangsamter Weise,
ob es sich schließlich so weit verlangsamt, dass es wieder umkehrt, und sich dann sozusagen wieder zusammenzieht.
So etwas würde voraussetzen, dass genügend viel Masse in diesem Universum vorhanden ist.
Wir können eine ganze Reihe von Aussagen über die Massen machen, wir können sie ableiten,
die sogenannten sichtbaren Massen, die wir heute sehen, reichen nicht aus, um das Universum zu einem geschlossenen zu machen.
Aber es könnte ja sein, dass sehr viele Neutrinos vorhanden sind, darüber werde ich noch reden.
Und dass diese Neutrinos genügend viel Masse tragen und dann könnte das Universum ein geschlossenes sein.
Ein vielleicht ästhetisch befriedigender, aber sonst nicht vielleicht so wahnsinnig wichtiger Aspekt.
Ein viel wichtigerer Aspekt ist, dass es eine ganze Reihe von Indizien gibt in der Astrophysik,
dass eine große Menge an verborgener Masse im Universum vorhanden ist.
Masse, die wir nicht sehen.
Es gibt eine ganze Reihe von Erscheinungen, ich will z.B. nur erwähnen, dass die Clusters von Galaxien,
diese Anhäufung von Galaxien, schwer verständlich ist, wie das Ganze zusammenhält.
Wie die Gravitation das zusammenhalten kann, da ist nicht genügend Masse an dem, was wir sehen, vorhanden.
Man vermutet, da muss noch sehr viel mehr Masse sein, die wir nicht sehen.
Und diese Masse wiederum könnte, das wäre die einfachste Möglichkeit, z.B. in Neutrinos stecken,
und Neutrinos wären dann für das Verständnis dieser Phänomene von entscheidender Bedeutung.
Es gibt eine ganze Reihe weiterer astrophysikalischer Hinweise über solche verborgenen Massen,
und es gibt viele Leute, die diese verborgene Masse gern den Neutrinos in die Schuhe schieben.
Nun lassen Sie mich ein paar Worte sagen über was wir heute für Neutrinoquellen zur Verfügung haben,
wir wollen ja experimentieren, wir müssen ja letzten Endes beweisen, das was wir hier als These vielleicht vertreten,
im Experiment beweisen und müssen damit Neutrinoquellen haben, an denen wir messen können .
Eine unsere wichtigsten Neutrinoquellen, eine unserer interessantesten Neutrinoquellen ist, wie ich schon erwähnt habe, die Sonne.
In der Sonne spielen sich Fusionsprozesse ab, die Verschmelzung von Protonen etwa,
die Umwandlung von Protonen in Neutronen, dazu brauchen wir Neutrinos.
Und nachdem wir annehmen, dass die ganz Sonnenenergie, die wir hier bekommen,
im Wesentlichen auf solchen Fusionsprozessen beruht, müssen diese Neutrinos daran beteiligt sein,
und diese Neutrinos kommen natürlich hierher zu uns auf die Erde.
Sie haben eine so schwache Wechselwirkung, dass sie die Erde gar nicht sehen, sie gehen vorne rein und hinten wieder raus.
Da passiert fast nichts, die Erde ist fast nicht existent, wegen dieser schwachen Wechselwirkung der Neutrinos,
aber man kann sie trotzdem, wenn man eine genügend große Zahl hat, und die Zahlen sind recht groß,
6 mal 10 hoch 10 pro cm² und Sekunde,
kommen allein von diesem eigentlichen Fusionsprozess also außerordentlich hohe Zahlen an Neutrinos.
Man kann sie im Prinzip mit sehr empfindlichen Detektoren messen.
Ich habe Ihnen hier zwei Gruppen von Neutrinos aufgeschrieben.
Eine, die der Hauptfusionsreaktion entspricht und eine andere Gruppe, die eine kleine Nebenreaktion beinhaltet,
die aber den Vorteil hat, dass sie hohe Energien an Neutrinos liefern, 14 MeV, mit sehr viel geringeren Flüssen,
fast 10.000 mal weniger wie diese Hauptkette.
Trotzdem ist diese kleine Nebenkette im Augenblick sehr interessant,
denn es ist die Kette, die man messen kann, mit terrestrischen Methoden.
Es sind die berühmten Experimente von Davis und Mitarbeiter mit Hauptquartier in Brookhaven,
die in einer tiefen Mine in den USA durchgeführt werden, und wo man versucht hat, diesen solaren Neutrinofluss,
der uns also eigentlich die einzige Aussage liefert über direkt, was im Inneren der Sonne vor sich geht,
wir sehen ja nur die äußere Sonne, wenn wir sie optisch ansehen.
Man hat also versucht, diesen solaren Neutrinofluss zu messen, um zu sehen, ob das stimmt, was wir glauben,
was im Inneren der Sonne sich abspielt und es ist eines der ganz großen Rätsel im Augenblick,
dass man diesen Fluss nicht gefunden hat.
Der Fluss, den man findet ist mindestens einen Faktor 3 niedriger, als das, was man erwartet
und in letzter Zeit sieht es fast so aus, und das muss natürlich experimentell alles noch sehr viel genauer überprüft werden,
als wenn alles, was man misst unter Umständen mit Untergrundmessungen zu erklären ist.
Das ist ein ganz großes Rätsel und es wäre wirklich eine Katastrophe, wenn dieser Fluss nicht da wäre,
bzw. wenn wir nicht verstehen, warum er nicht da ist.
Da gibt es dann alle möglichen anderen Ausreden unter Umständen.
Auf eine dieser Ausreden werde ich dann zu sprechen kommen.
Es wäre eine Katastrophe, wenn dieser Fluss nicht da wäre, denn dann würde es heißen,
wir verstehen nicht, wie die Sonne ihre Energie produziert.
Wir glauben, wir verstehen das sehr, sehr gut.
Aber wie gesagt, wir müssen misstrauisch sein,
und eines der großen Rätsel ist dieser fehlende solare Neutrinofluss, im Augenblick.
Es gibt neue Anstrengungen, auch zum Teil deutsche Laboratorien sind hier beteiligt,
jetzt diesen niederenergetischen Bereich hier anzugehen, das sind sehr kostspielige Experimente, das BMFT stöhnt darüber bereits.
Experimente, die wohl in einigen Jahren mit Hilfe von Gallium über die Bühne gehen.
Man hat dort sehr viel niedrigere Schwellenwerte für die Reaktionen und kann hoffen, diese Reaktionen zu studieren.
Sehr kostspielige Experimente, aber außerordentlich wichtige Experimente,
denn dieser fehlende solare Neutrinofluss ist eines der ganz großen Rätsel, mit dem wir zur Zeit leben müssen.
Eine weitere große Quelle von Neutrinos ist mit größter Wahrscheinlichkeit das was übrig geblieben ist von dem Urknall,
an den viele Leute glauben.
Unsere Welt ist also in einem Urknall entstanden, ursprünglich waren diese Neutrinos,
die bei diesem Urknall im Gleichgewicht waren, mit den anderen Teilchen bei sehr hohen Temperaturen in großer Zahl vorhanden
und sie sind dann, wie die Temperatur abgeklungen ist, abgesunken ist, weil sich das Ganze expandiert hat,
sind sie aus dem Gleichgewicht ausgestiegen, aber sie sollten heute noch da sein, mit sehr niedrigen Energien,
aber mit sehr großen Zahlen.
Wir nehmen an, wir haben sie nicht gesehen bis jetzt, wir nehmen an,
dass wir etwa 500 Photonen pro cm³ hier auf der Erde, im gesamten Universum im Mittel vorhanden haben.
Das hat man gemessen.
Man nimmt an, dass etwa die gleiche Zahl, ein kleines bisschen weniger, aus Gründen der Statistik,
an Neutrinos ebenfalls pro cm³ vorhanden ist.
Sie sehen also, die Welt ist voll von Neutrinos,
etwa 400 solcher Neutrinos pro cm³ aus diesem Urknall mit sehr niedrigen Energien,
aber auch von der Sonne her kommen außerordentlich hohe Zahlen an Neutrinos, die uns ständig von allen Seiten her durchstrahlen.
Die Umweltschützer haben das noch nicht gemerkt und drum haben sie dagegen noch nichts unternommen.
Nun etwas zu den künstlichen Quellen an Neutrinos.
Hier ist die wichtigste Quelle an Neutrinos, der Kernreaktor.
Der Fusions- nicht der Fusionsreaktor, der Spaltungsreaktor, der uns sogenannte Elektronen, Antineutrinos,
ob das nun Anti- oder Neutrinos sind, das ist eine Definitionssache.
In dem Fall, so wie es definiert ist, sind es hier Antineutrinos, liefert,
mit Energien von einigen MeV und ganz beträchtlichen Flüssen.
Die Flussstärken, die ich Ihnen hier angegeben habe, sind realistische, insofern, als ich sie Ihnen am Ort des Experiments angebe.
Man kriegt noch um viele 10er Potenzen höhere Flüsse, wenn man in das Zentrum eines Kernreaktors geht,
aber da kann man sich nicht aufhalten, auch unsere Apparaturen können sich dort nicht aufhalten,
da, wo wir also die Detektoren aufstellen können, liegen Flüsse dieser Größenordnung vor,
und Sie sehen, das ist noch weit mehr, als was aus den anderen Quellen kommt.
Es gibt dann auch noch Beschleuniger, Mesonenfabriken usw., die solche Neutrinos liefern,
mit höheren Energien, aber deutlich niedrigeren Flüssen.
Ich werde mich vor allem auf die Neutrinos, die in den Kernspaltungsreaktoren produziert werden
und die wie gesagt, für unsere menschliche Gesundheit nach allem, was wir wissen, völlig harmlos sind –
die Erde ist absolut transparent und wir natürlich, die wir mickrig sind im Vergleich zum Durchmesser der Erde,
sind erst recht transparent für diese Neutrinos.
Es ist außerordentlich schwer, sie nachzuweisen.
Man kann sie nur deswegen hoffen überhaupt im Laboratorium nachzuweisen, weil ihre Zahl so außerordentlich groß ist.
Nun habe ich schon mehrmals auf den wesentlichen Gesichtspunkt der Masse, der Ruhemasse der Neutrinos hingewiesen,
und möchte ein paar Worte darüber sagen, was wir darüber wissen.
Die Physik hat rund 40 Jahre lang sehr gut mit der Auffassung gelebt, die Ruhemasse der Neutrinos ist null.
Es gab, mit anderen Worten, kein Experiment, was dem widersprach und die Theoretiker haben das sehr geschätzt,
die Ruhemasse null in ihre Theorien einzuführen, denn die Theorien wurden dadurch außerordentlich versimplifiziert.
Nun, kritisch, wie wir als Physiker sein müssen, ist man in den letzten Jahren, auch aus den Gründen,
die ich vorhin genannt habe, auf die Idee gekommen, das es eigentlich keinen echten Grund gibt, warum die Ruhemasse null ist.
Zumindest müsste da ein neues Prinzip dahinter sein, was wir nicht verstehen und man muss also messen,
was die Ruhemasse dieser Neutrinos ist.
Nun, niemand hat bisher echt diese Neutrino-Masse messen können.
Ich kann Ihnen hier nur Grenzen angeben.
Wir wissen, dass die Elektron-Neutrino-Masse etwa kleiner als 35 Elektronenvolt ist,
wie klein sie dann wirklich ist, weiß man nicht.
Die Myonen-Neutrinos sind kleiner als 510 KeV und die Tauon-Neutrinos sind wohl kleiner als 250 MeV.
Sie sehen, das sind gewaltige Energien, über die man hier spricht, und über die man im Prinzip überhaupt nichts aussagen kann.
Eben wieder, weil diese schwache Wechselwirkung ebenso wahnsinnig schwach ist,
weil sich diese Neutrinos so ungeheuer schlecht manifestieren.
Der Grund, warum es so schwer ist, diese Massen zu messen, liegt darin, dass die kinetischen Energien,
mit denen wir vor allem bei den Elektron-Neutrinos normalerweise arbeiten,
eben außerordentlich groß sind gegenüber der Ruhemasse, wenn es eine gibt,
und dass man diesen kleinen Anteil eben sehr schwer an diesem großen Anteil messen kann.
Es gibt eine russische Messung, von Tretyakov und Mitarbeitern, die glauben, die Neutrinomasse gesehen zu haben,
die geben also Werte an für die Elektronen-Neutrino-Masse zwischen 14 und 46 Elektronenvolt.
Aber dieses Experiment ist ein einziges Experiment,
es muss unbedingt von anderen Laboratorien oder auch von derselben Gruppe verifiziert werden.
Es ist sehr schwierig, hier genaue Aussagen zu machen, ob nicht Festkörpereffekte hereinspielen
und hier einen bösen Trick spielen, ehe man nicht an verschiedenen Festkörpern diese Massen gemessen hat.
Unter Verwendung verschiedener Festkörper ist es wohl noch zu früh, zu sagen, das ist eine echte Messung.
Schließlich sollte ich noch sagen, dass die Kosmologen Grenzen angeben für Neutrinomassen.
Sie sagen, dass die Summe aller Neutrinomassen der verschiedenen Typen kleiner als etwa 50 Elektronenvolt sein sollte.
Es gibt dann auch noch die Möglichkeit, dass ganz schwere Neutrinos existieren,
aber die werden wahrscheinlich nicht sehr langlebig sein.
All das ist noch sehr offen, jedenfalls ist das eine Grenze, an die die Kosmologen glauben
und einige von uns auch so einigermaßen, dass die wohl richtig ist.
Man muss also unterhalb dieses Bereiches suchen, wenn man Neutrinomassen finden will.
Nun gibt es eine interessante Möglichkeit, auf die zuerst Pontecorvo und eine japanische Gruppe hingewiesen haben,
nämlich, dass die Neutrinos, die wir im Laboratorium im Rahmen des Beta-Zerfalls produzieren,
dass diese Neutrinos nicht Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung sind, im Rahmen derer sie produziert werden,
sondern, dass diese Neutrinos evtl. mehr fundamentale Neutrinos hinter sich stehen haben,
mit anderen Worten dass die erzeugten Neutrinos,
im Rahmen der schwachen Wechselwirkung erzeugten Neutrinos nicht stabil sind, sondern sich ineinander umwandeln können.
Das würde dazu führen, dass sogenannte Neutrino-Oszillationen möglich sind
und wir haben in der Tat Experimente in dieser Richtung durchgeführt,
eine Suche nach solchen Oszillationen in den letzten Jahren angestellt.
Das würde bedeuten, dass Neutrinos, etwa Elektron-Neutrinos, die erzeugt werden, sich im Laufe der Zeit, wenn sie fliegen,
mit praktisch Lichtgeschwindigkeit, in Myonen-Neutrinos umwandeln und dann z.B.,
das ist ein besonders einfaches Zwei-Neutrino-Modell hier, wieder zurückverwandeln in Elektroneutrinos,
wieder in Myon-Neutrinos, dass also solche Oszillationen an Neutrinos zustande kommen.
Konkret ausgedrückt bedeutet das, wenn ich etwa hier im Zentrum meines Kreises einen Kernspaltungsreaktor habe,
der mir Elektronen-Neutrinos oder Antineutrinos produziert,
und die fliegen los, in irgendeiner Richtung, in allen Richtungen natürlich, z.B. in dieser,
dann würden sie nach einer gewissen Flugzeit oder gewissen Flugstrecke, an dieser roten Stelle etwa,
in Myon-Neutrinos umgewandelt werden.Etwas später wären es wieder Elektron-Neutrinos,
wieder etwas später wären es Myon-Neutrinos und so weiter und so fort.
Sie haben also hier solche Oszillationen,entlang dieses Bereiches hier.
Und wenn Sie einen Detektor hier aufstellen, der z.B. nur auf die grüne Sorte anspricht,
dann würden Sie hier solche Neutrinos finden, hier sehen Sie nichts, hier finden Sie wieder diese Neutrinos,
Sie würden also eine Oszillation der Intensität in diesem Detektor beobachten und damit direkt diese Neutrinos nachweisen können.
Nun, was können wir aus solchen Oszillationen lernen?
Was wir im Prinzip daraus lernen können ist einmal, ob diese Oszillationen überhaupt auftreten,
das heißt ob diese Neutrinos der verschiedenen Typen überhaupt ineinander übergehen können, ob sie gemischt sind
und diese Mischung kann ich durch einen sogenannten Mischungswinkel zum Ausdruck bringen, das ist die eine Größe,
und zum anderen lernen wir etwas über diese Masse der Neutrinos, denn die Länge dieser Oszillationen hängt,
wie sich ganz einfach zeigen lässt, ich hab dazu die Zeit nicht hier,
von der Masse, genauer von der Massendifferenz der beteiligten Neutrinos ab.
Wenn ich also annehme, ich habe etwa eine Oszillation zwischen Elektron- und Myon-Neutrinos,
dann geht die Differenz Elektron-Neutrino- und Myon-Neutrino-Masse, bzw. der dahinterliegenden Grundneutrinos ein.
Ich kann also etwas über die Neutrino-Massen lernen und ich kann etwas über die Mischung dieser Neutrinos lernen.
Nun, wir haben solche Experimente durchgeführt seit einigen Jahren und zwar zunächst in einem ersten Experiment,
das war eine amerikanisch-französisch-deutsche Zusammenarbeit, an dem Forschungsreaktor des Instituts Laue-Langevin in Grenoble.
Wir haben dort gemessen bei einer festen Entfernung von 8,76 m vom Reaktor,
und haben da im Wesentlichen die Energieabhängigkeit unserer Neutrinos studiert,
wir haben also Neutrinos absorbiert und haben geschaut,
ob diese Absorption sich bei allen Energien gleich verhält oder ob die energieabhängig ist.
Wenn sie energieabhängig ist, würde das auf Neutrino-Oszillationen hindeuten.
Wir haben nun inzwischen, ich hab Ihnen vor drei Jahren gesagt, dass wir dieses Experiment vorhaben,
dieses Experiment ist nun inzwischen abgeschlossen, ein zweites Experiment ist wiederum ebenfalls abgeschlossen,
eine amerikanisch-schweizer-deutsche Zusammenarbeit an dem Leistungsreaktor des Kernkraftwerks in Gösgen in der Schweiz
haben wir nun bei einer Entfernung von etwa 38 m ein neues Oszillations-Experiment durchgeführt
und über dieses Experiment möchte ich Ihnen ein paar Details erzählen, bloß damit Sie ein Gefühl dafür bekommen,
wie solche Experimente im Einzelnen sich abspielen.
Wir verwenden diese Reaktionen, die ich schon mal erwähnt habe, dass wir Elektron-Antineutrinos auf Protonen schießen.
Wir haben also einen Detektor, in dem sich sehr viele Wasserstoffkerne befinden.
In unserem Fall ist das eine Flüssigkeit, die sehr wasserstoffreich ist, und die uns gleichzeitig als Detektor dient
und auch als Nachweis für die empfangenen Neutrinos, also die Protonen machen diese Reaktionen,
sie werden umgewandelt hier in Neutronen und in Positronen
und wir messen diese beiden Teilchen zusammen in Koinzidenz und zwar sowohl in zeitlicher wie in räumlicher Koinzidenz.
In zeitlicher Koinzidenz insofern, als sie gleichzeitig natürlich auftreten müssen,
wenn diese Reaktion überhaupt eintritt, wenn wir also Neutrinos beobachten.
Und in räumlicher Koinzidenz, das hilft uns, unsere sehr erheblichen Untergrundprobleme zu lösen.
Denn obwohl wir sehr große Neutrinoraten haben, bleibt eben nur so gelegentlich mal so eins hängen,
wir kriegen also ganz geringe Zählraten und Sie können sich vorstellen, dass es sehr schwierig ist,
mit solch geringen Zählraten gegen alle anderen Prozesse anzukämpfen, die natürlich auftreten.
Sie haben immer eine natürliche Radioaktivität von der Umgebung, nicht vom Kernkraftreaktor, der liefert uns gar nichts,
sondern aus unserem Detektor selbst, aus dem Glas, was in den Multipliern ist, kommt Strahlung raus, aus dem Betonwänden,
die wir zur Abschirmung verwenden, kommt Strahlung raus
und es kommt natürlich ganz saftig Strahlung von oben her aus dem Weltall, die kosmische Strahlung,
gegen all das muss man ankämpfen, und dazu dient dieser positionsempfindliche Nachweis, den ich hier kurz andeute.
Nun, ich will Sie nicht mit den Einzelheiten behelligen, ich will nur ganz kurz noch mal drauf hinweisen,
dass die Oszillation, die ich hier mal formal angeschrieben habe, das ist eine einfache Funktion hier,
wesentlich ist hier dieser Cosinus-Term, eine trigonometrische Funktion.
Sie hängt einmal ab von der Energie der Neutrinos, wie gesagt, wenn wir keine Neutrino-Oszillation hätten,
sollte sie nicht von der Energie abhängen.
Dann hängt sie ab von der Entfernung, dann hängt sie ab von dieser Massendifferenz, die ich erwähnt habe
und die ich hier noch mal genau angeschrieben habe, Delta2,
diese Größe, die hier im Argument der trigonometrischen Funktion auftritt,
ist abhängig von den Massen M1 und M2 der beiden Neutrinos, auf die ich mich beziehe in dieser quadratischen Weise,
wie ich es hier angeschrieben habe, und dann geht schließlich noch der Mischungswinkel ein.
Sie sehen sofort, wenn der Mischungswinkel null ist, dann gibt es keine Neutrino-Oszillationen,
da wird nämlich diese ganze Geschichte hier null und dann kommt hier einfach 1 raus.
Das heißt, dann rührt sich gar nichts, weder als Funktion der Entfernung noch als Funktion der Energie tritt dann irgendetwas auf.
Wenn aber ein Mischungswinkel vorhanden ist, wenn also das Phänomen der Oszillationen existiert,
dann tritt so ein oszillierender Term auf, und aus der Länge dieser Oszillation,
aus dem Argument der trigonometrischen Funktion kriegen wir Informationen über diese Größe Delta2,
über diese quadratische Massendifferenz der Neutrinos, auf die es uns ankommt.
Nun, wie sieht das in der Praxis aus?
Ganz grob schaut so ein Detektor so aus, wie ich’s Ihnen hier aufgemalt habe.
Wir haben also hier 30 solcher weißen Kästchen, das sind die Protonenzähler,
das Ganze ist ungefähr der innere Zähler, grob 1m mal 1m mal 1m.
Wir haben also 30 solcher Protonenzähler, in denen die Neutrinos, die vom Reaktor kommen,
die irgendwie von hier außen kommen und hier einfallen, gelegentlich mal eine Umwandlung erfahren,
mit einem Proton reagieren und ein Neutron und ein Positron produzieren.
Und dieses Neutron und dieses Positron müssen wir jetzt nachweisen.
Das Positron weisen wir direkt nach in diesen Zählern, da sitzen einfach Photomultiplier am Ende, die Lichtblitze,
die dieses Positron in diesem Szintillationszähler, in dieser Szintillationsflüssigkeit macht, die wir hier drin haben,
werden nachgewiesen und die geben uns direkt einen Hinweis auf das Positron.
Und die Neutronen, die dabei produziert werden, die kommen hier herüber, in diese gelb angedeuteten großen Helium-3-Kammern,
in denen sie durch Neutroneneinfang nachgewiesen werden.
Das heißt hier weisen wir das Positron nach, hier weisen wir das Neutron nach,
und wenn sie beide gleichzeitig oder praktisch gleichzeitig auftreten,
dann wissen wir, mit guter Wahrscheinlichkeit hat ein echtes Neutrinoabsorptionsereignis stattgefunden.
Den Rest dieser Apparatur, und der ist der größere Teil, der besteht darin,
dass wir hier einmal sogenannte Antikoinzidenzzähler haben, die uns sagen, von außen kommt irgendetwas falsches,
irgendein Teilchen aus der kosmischen Strahlung, das können wir dann aussondern, dann zählen wir das nicht.
Dann gibt es hier noch viele andere Dinge, auf die ich jetzt nicht eingehen will.
Das Entscheidende ist, das wir hier noch viele Meter Beton um das Ganze haben.
Der ganze Detektor wiegt etwa 1000 t, das sind also große Apparaturen.
In der Tat hat uns die Schweizer Armee geholfen, diese 1000 t in der Gegend herum zu fahren,
weil wir dazu natürlich selbst nicht so ohne Weiteres in der Lage gewesen sind
und wir nicht gern unsere knappen Forschungsmittel für den Transport von Beton verwenden.
Nun will ich Ihnen vielleicht diesen inneren Zähler noch einmal genauer zeigen, wie der im Einzelnen aussieht.
Sie sehen hier noch einmal ein vergrößertes Bild der Innereien, Sie sehen hier diese 30 Zähler,
hier sind die Kappen abgenommen in einigen Fällen, das sind die Photomultiplier, die vorne und hinten an diesen Zählern sitzen,
und die uns den Nachweis der Lichtimpulse hier gestatten, hier zwischendrin, gelb, sind diese großen Helium-3-Kammern,
wir haben 400 l von dem sehr seltenen Isotop Helium-3 in unserem Detektor untergebracht.
Nun möchte ich Ihnen die Ergebnisse ganz kurz zeigen.
Was Sie hier sehen, ist im oberen Teil die Zählrate, diese obere Kurve, aufgetragen ist hier die Zählrate pro Stunde
Sie sehen, wir haben so typisch etwa 2 pro Stunde hier als Funktion der Neutrinoenergie,
bzw. der Positronen-Energie, die direkt mit der Neutrinoenergie verbunden ist.
Sie sehen hier diese obere Kurve, für den Fall, dass der Reaktor in Betrieb gewesen ist.
Wir haben ungefähr ein halbes Jahr an dieser Kurve gemessen.
Sie sehen, mit diesen geringen Zählraten braucht man Zeit,
und Sie sehen hier unten jene Kurve, die wir bekommen, wenn der Reaktor abgeschaltet ist.
Das heißt, das sind sozusagen unerwünschte Nebenereignisse, die wir von den erwünschten Ereignissen hier oben abziehen müssen.
Ich darf vielleicht am Rand erwähnen, dass es für diese untere Kurve sehr schwierig war,
wir haben nur etwa 4 Wochen messen können, an dieser unteren Kurve,
diese Leistungsreaktoren der Elektrizitätswerke haben die unangenehme Eigenschaft,
dass sie immer in Betrieb sind, und sehr selten abgeschaltet sind.
Als Physiker hätte man gern Reaktoren, die zur Hälfte laufen,
damit man diese Kurve messen kann und zur Hälfte abgeschaltet sind, damit man diese Kurve messen kann.
Aber man muss sich da natürlich den Bedürfnissen unterordnen, die da wirklich vorliegen.
Nun, die Differenz dieser beiden Kurven hier, ist das, was Sie hier unten aufgetragen sehen,
das ist also jetzt das echte Spektrum und eingezeichnet ist noch eine Kurve hier,
die nicht etwa ein Fit an diesen experimentellen Daten ist, sondern die jene Kurve ist, die wir erwarten müssten,
wenn wir keine Neutrino-Oszillationen hätten.
Also alle Abweichungen zwischen dieser durchgezogenen Kurve und unseren experimentellen Daten,
und Sie sehen da so ein bisschen was hier und vielleicht da, mit viel Fantasie, alles dieses würde auf Oszillationen hindeuten.
Was wir angeben können in diesem Fall sind keine Massen,
wir haben keine Neutrino-Oszillationen gesehen im Rahmen der Statistik, die wir anlegen, ich werde Ihnen das gleich begründen,
wir können aber Grenzen angeben, für diese Massen, und das ist hier in diesem Bild aufgetragen,
das sind jetzt neueste, noch unveröffentlichte Daten,
wo ich Ihnen die jetzt genauesten Grenzen für die Neutrinomassen und die Mischungswinkel angebe.
Was Sie hier sehen, und das ist die grüne Kurve,
und zwar die durchgezogene am rechten Rand der grünen Kurve befindliche Kurve,
das ist das sogenannte 90% Konfidenzniveau für den Ausschluss von Neutrino-Oszillationen.
Und zwar ist ausgeschlossen, das ganze rechte Gebiet, rechts dieser Kurve,
und erlaubt, auf der Basis von 90% Konfidenz ist das, was links von dieser Kurve sich befindet.
Aufgetragen ist nach oben, dieses Delta2, diese quadratische Massendifferenz der Neutrinos und nach rechts der Mischungswinkel.
Hier also Mischungswinkel null und hier totale Mischung auf dieser Seite.
Sie sehen, dass ein weiter Bereich hier ausgeschlossen ist, alles was aber hier links von dieser Kurve noch ist,
in diesem linken Bereich, das ist der Bereich,
wo Neutrino-Oszillationen und damit Neutrinomassen und Neutrinomischungswinkel nach wie vor möglich sind.
Wir sind jetzt dabei, diese Messungen auszudehnen, zu noch größeren Entfernungen.
Dabei ist es unser Ziel, einmal diesen Bereich hier, auf den ich gleich noch zu sprechen kommen werde, genauer anzusehen,
und vor allem hier unten noch weiter herunter zu gehen.
Das heißt, wenn Neutrinomassen da sind, mit relativ großen Werten, also im Bereich von eV,
wo es die Kosmologen und die Astrophysiker gerne haben würden,
dann können solche Massen nur noch auftreten mit außerordentlich kleinen Mischungswinkeln,
und zwar sichtlich mit Mischungswinkeln, die kleiner sind als jene Winkel,
die wir heute in der Hochenergiephysik so gerne verwenden, nämlich der Cabibbo-Winkel und der Weinbergwinkel,
die beide so ein bisschen größer wie 0,2 sind.
Wir sind also hier in diesem Bereich bereits unter diesen Winkeln.
Natürlich gibt es keinen Grund, warum diese Mischungswinkel mit diesen anderen Winkeln hier übereinstimmen sollten,
aber so ein bisschen denkt man doch, vielleicht ist es ein Geschenk, dass sie von dieser Größenordnung sind.
Das ist aber nicht so, sie sind aber hier schon, wie Sie sehen, unterhalb dieses Bereiches.
Wir können also schon bis zu beliebigen Massen herauf extrapolieren.
Wir können das deswegen, weil hier in diesen hohen Massen,
in diesem hohen Massenbereich unserer Oszillations-Term ausgemittelt wird, und das ist z.B. eine der Hoffnungen, die man hat,
um den abwesenden solaren Neutrinofluss zu erklären.
Es könnte nämlich sein, dass die Neutrinos, die von der Sonne zu uns kommen, Oszillationen machen,
dass sie sich umwandeln in andere Arten von Neutrinos,
dass die Elektron-Neutrinos der Sonne etwa in Myon-Neutrinos und Tauon-Neutrinos umgewandelt werden
und dass das Ganze dann mischt, sodass wir dann, wenn wir sie etwa gleich gemischt haben - und das würde man annehmen,
wenn die Oszillationslängen klein sind gegen die Entfernung Erde-Sonne - dass wir dann annehmen können,
wenn wir drei Typen von Neutrinos haben, dass auf jeden Typ dann ein 1/3 entfällt an Intensität,
und das wäre etwa das, was man im Augenblick misst.
Aber das ist noch sehr starkes Wunschdenken, würde ich sagen, das muss noch sehr viel genauer verifiziert werden.
Jedenfalls, in diesem linken Bereich hier sind Oszillationen noch möglich, in diesem rechten Bereich sind sie ausgeschlossen,
hier unten bei ganz kleinen Neutrinomassen, und da könnten natürlich welche vorliegen, es könnte so sein,
dass die Neutrinos diese kleinen Massen haben, da sind sie noch mit allen Mischungswinkeln voll verträglich.
Nun möchte ich Ihnen, ohne auf vielleicht Zahlen hier einzugehen, noch ein Bild zeigen, was etwas Aufregung verursacht hat,
vor rund einem Jahr.
Und zwar zeige ich Ihnen noch mal dieselbe Kurve, die Sie gerade in grün gesehen haben, hier in lila,
und gleichzeitig zeige ich Ihnen hier Messungen, die von Reines und seinen Mitarbeitern gemacht worden sind,
sehr berühmte Messungen, in denen neutrale und geladene Stromreaktionen mit Hilfe von Neutrinos durchgeführt worden sind
am Beispiel des Deuterons, und von denen diese Messungen interpretiert worden sind,
indem man annahm, Neutrino-Oszillationen existieren.
Hier ist es so, dass bei uns der zulässige Bereich links liegt, in dem Fall liegt der zulässige Bereich rechts.
Sie sehen hier die 90% Konfidenzkurve von Reines, Sie sehen hier rechts die 90% Konfidenzkurve unseres Experiments,
hier ist kein Überlapp dieser Kurven, das heißt, diese beiden Experimente sind zumindest auf der 90% Basis,
und das kann man noch ausdehnen, in klarem Widerspruch zueinander.
Wir stimmen also mit unseren Experimenten nicht mit den Aussagen dieser amerikanischen Gruppe überein.
Nun schließlich noch eine letzte Zusammenfassung jener Daten, die wir bekommen haben an dem Kernkraftreaktor in Gösgen.
Der zeigt Ihnen sehr schön den Unterschied der Distance und auch der Reaktoren.
Ich zeige Ihnen hier in blau nochmal, was Sie vorher schon in anderen Farben gesehen haben, nämlich unsere Messungen,
die wir in der Schweiz, an dem Schweizer Leistungsreaktor durchgeführt haben,
und gleichzeitig zeige ich Ihnen hier in Rot, noch einmal …