Neutrinos

Das Geheimnis der Geisterteilchen Neutrinos wird langsam entschlüsselt

Sie durchkreuzen die Erde, fliegen aus allen Richtungen herbei und sind unsichtbar: Neutrinos. Viele Jahre tappten Forscher im Dunkeln und untersuchten die Teilchen theoretisch, doch mittlerweile lassen sich die Neutrinos einsammeln und untersuchen. So konnten nun einige Rätsel gelöst werden – einige andere liegen nach wie vor im Verborgenen.

Die Entstehung der Geisterteilchen

Neutrinos gelten noch als die mit Abstand rätselhaftesten Elementarteilchen der Erde und dennoch zählen sie zu den häufigsten. Rund 100 Billionen der winzigen Partikel sausen sekündlich durch uns hindurch – und das fast mit Lichtgeschwindigkeit. Von all dem merken wir nichts trotzdem haben diese Teilchen mitunter eine Wechselwirkung auf den Organismus. Nicht nur wir Menschen, sondern alle Pflanzen und Objekte werden jeden Tag kreuz und quer aus allen Richtungen mit diesen Geisterteilchen durchschossen. Sogar durch die massivsten und robustesten Materialien wie Blei, Stahl und sogar Diamant können die Partikel hindurch kommen. Woran liegt das? Was macht das möglich? Bleibt nicht doch ein Teil ihrer Energie in uns zurück? Eine von vielen Gründen dafür liegt an der nicht vorhandenen Ladung dieser Teilchen. Sie sind elektronisch vollkommen neutral, das ist zumindest der bisherige Erkenntnisstand und reagieren daher kaum auf magnetische, noch auf elektrische Kräfte. Ein vollkommener Gegensatz zu den Grundelementen der gesamten Materie, den Atomen. Diese können nur wegen der elektromagnetischen Kräfte zusammengehalten werden und damit existieren. Negativ geladenen Elektronen bewegen sich dabei um den positiv geladenen Kern und lassen die Materie damit spür- und wahrnehmbar machen.

Festigkeit: eine Illusion

Der Physiker Ben Still sagt eins: „Alle festen Dinge um uns herum sind nichts anderes als eine Illusion“. Und damit hat Still nicht unrecht, denn 99,99999 Prozent unserer stabilen Materie, enthält in Wahrheit zwischen Kern und den kreisenden Elektronen lediglich einen leeren Raum. Dabei trägt der Atomkern zum gesamten Volumen nur 0,000001 Prozent bei. All das, was übrigbleibt, ist eine Leere, welche einzig und alleine mithilfe der elektromagnetischen Kräfte zwischen dem Atomkern und den kreisenden Elektronen stabil gehalten wird. Eine Oberfläche würde sich bei Berührung nur deshalb fest anfühlen, weil die Elektronen auf der Oberfläche wiederum die Elektronen auf unserer Handoberfläche abstoßen, erklärt Still. Ganz im Gegenteil zu den Geisterteilchen. Sie kennen eine solche Wirkung nicht. Die Partikel reagieren lediglich auf die Kraft, die dafür sorgt, dass der Kern des Atoms zusammengehalten wird. Eine schwache Kraft, aber dennoch eine Kraft, die nur in der direkten Nähe des Kerns wirkt. Ein Neutrino müsste daher mit den 0,000001 Prozent Materie zusammenstoßen. Selbst wenn dieser unwahrscheinliche Fall eintritt, so könne es immer noch passieren, dass nichts passiert, meint Still. Daher ist es auch nicht verwunderlich, dass sich um die Existenz der Geisterteilchen jahrelang nur Theorien rankten, die allerdings durch die neuesten Erkenntnisse auf den Kopf gestellt werden.

Ungeklärt: verschwundene Energie? Doch die gilt es zu finden und zu nutzen.

Geboren ist das Neutrino 1930. Zumindest stießen Physiker in diesem Jahr erstmals auf die seltsamen Teilchen. Sie versuchten eigentlich eine Gleichung aufzustellen, die den Atomkernzerfall unter Einfluss radioaktiver Strahlung beschreiben sollten. Das Problem: die Gesetze der Physik besagen, dass eine Energie niemals verloren gehen kann. Nach dem Zerfall muss die Energie der einzelnen Teilchen also exakt so groß sein, wie die vorherige Energie im Atomkern. Allerdings war das nicht der Fall. In den Messungen der Physiker zeigte sich, dass jedes Mal geringe Teile der Energie spurlos verwand. Das bereitete besonders dem Physiker Wolfgang Pauli Kopfzerbrechen. Er behalf sich letztlich mit einem Trick. Dazu setze er ein bis dahin unbekanntes Teilchen in seine Gleichung ein. Dieses sollte den Verlust der Energie wieder ausgleichen. Er habe heute etwas ganz Böses getan, schrieb Pauli damals in sein Tagebuch. Er habe ein Teilchen erfunden, für dessen Existenz es keinen Beweis gibt. Dies sei etwas, was ein Theoretiker niemals tun sollte, hieß es in seinen Aufzeichnungen weiter. Und in der Tat dauerte es nach diesen Aufzeichnungen ganze 26 Jahre, bis die Existenz genau dieser erfundenen Geisterteilchen nachgewiesen und bewiesen werden konnten. Und heute fangen wir an diese Teilchen im täglichen Leben eine Bedeutung zukommen zu lassen.

Poltergeist-Projekt mit Kernkraft

Wir schreiben das Jahr 1956 in Savannah River (South Carolina, USA). Am dortigen Atomkraftwerk arbeiten Wissenschaftler bereits fleißig an ihrem Projekt. Der Versuchsaufbau: Drei große Stahltanks, die gefüllt mit tausenden Liter Wasser und Kadmiumchlorid, auf der Landefläche eines Lasters auf dem Gelände vor dem Reaktorwerk stehen. Mit ihrer Hilfe werden die neuen Detektoren in den Kellerräumen des Gebäudes aufgefüllt. Es handelt sich dabei um nichts Geringeres als eines der allerersten Neutrinodetektoren weltweit. Nun taucht berechtigterweise die Frage auf, wie man die Existenz eines winzigen und durchsichtigen Teilchens beweisen kann. Den ersten Gedankenansatz hatte bereits der berühmte Kernphysiker Enrico Fermi Jahre zuvor. Sein Vorbild dabei war der Zusammenhang zum radioaktiven Betazerfall, der zum Beispiel auch in Atomreaktoren stattfindet. Bei diesem Vorgang wird aus einem Neutron ein Proton, indem die negative Ladung abgegebene wird. Laut Fermis Ansatz müsse bei diesem Vorgang Antineutrino entstehen. Eine Annahme, die sich nur sehr schwer beweisen lässt. Laut Fermi geht die These allerdings noch weiter. Es kommt zu einem erneuten Wechsel der Ladung, sobald das Antineutrino erneut auf ein Proton trifft. Aus dem Proton wird also ein Neutron und aus dem Antineutrino entsteht wiederum ein Positron. Also das Gegenstück der Materie mit positiver Ladung. Heute weiß man, dass gerade Kernkraftwerke ungeheure Mengen Antineutrinos ausstoßen. Ca. 4 % der erzeugten Energie wird von Ihnen fortgetragen.

Lichtblitz ist die Lösung

Der beschriebene Betazerfall eröffnet den Forschern vollkommen neue Türen. Tritt also das Positron auf ein – in der Praxis unvermeidbar – Elektron, so heben sich beide gegenseitig aus. Folge dieser Reaktion ist ein kleiner Lichtblitz. Es ist die einzige Möglichkeit, die winzigen Teilchen nachzuweisen und zwar mit der Hilfe überaus empfindlicher Photodetektoren. Der komplexe Prozess findet nur dann statt, wenn Antineutrinos vorhanden sind und liefert somit den indirekten Beweis der Existenz. Außerdem, so die Forscher, bedeutet das Existieren von Antineutrinos automatisch auch die Existenz des Gegenspielers, die Neutrinos. Während des Lichtblitzes werden ungeheure Mengen Energie frei, aber auch wenn es nicht zum Lichtblitz kommt wird natürlich Energie abgegeben. Diese nutzbar zu machen ist die Aufgabe der Forscher in den nächsten Jahren.
Nachgewiesen werden sollte all das erstmals mit dem „Project Poltergeist“. Dafür setze man die drei Detektortanks auf dem Gelände des Atomkraftwerks als sensible Lichtblitzfallen ein. Jeweils 110 Photodektoren sitzen in jeder ihre Wände. Sie registrieren die Spuren der Antineutrinos. Der mit einer elf Meter breiten Hülle abgetrennte Atomreaktor bietet den nötigen Nachschub, denn für das Experiment müssen Billionen von Antineutrinos pro Sekunde erzeugt werden. Insgesamt vergehen ganze fünf Monate und über 1000 Stunden Beobachtung, bis das Forscherteam alle Daten sammeln konnte. Das
Ergebnis waren drei leuchtende Ausschläge für ein Antineutrino je Stunde. Das Forschungsergebnis teilten die Wissenschaftler auch dem Entdecker der Neutrinos mit. Als Wolfgang Pauli am 14. Juni 1956 ein Telegramm aus Amerika erreicht, sitzt der Physiker gerade im Genfer Kernforschungszentrum CERN. Man sei sehr froh, ihn darüber zu unterrichten, dass eindeutig die Existenz von Neutrinos nachgewiesen werden konnte, indem man den Betazerfall der Protonen genau beobachtet habe, heißt es darin. Die von Pauli 26 Jahre zuvor aufgestellte These war damit endgültig bewiesen. Neutrinos bedeutet Energie.

Was hat es mit den fehlenden Sonnen-Neutrinos auf sich?

Da haben Forscher die geheimnisvollen Partikel endlich nachgewiesen, stehen sie schon vor neuen Fragen. Denn im Laufe der Experimente konnte herausgefunden werden, dass Neutrinos und ihre Gegenspieler Antineutrinos auch durch vollkommen natürliche Prozesse entstehen können. Dazu zählt beispielsweise die Kernfusion innerhalb der Sterne und der Sonne. Durchgängig sausen riesen Massen an Neutrinos aus dem gesamten Weltall durch uns und alles auf der Erde hindurch oder eben auch nur ein Teil davon. Das sie dabei lediglich kleine Lichtblitze hinterlassen ist bekannt. Doch die gemessenen Werte der Detektoren werfen Fragen auf. Die Sonnen sendet demnach um einiges weniger Neutrinos aus, als es die vorherigen Gleichungen und Modelle vorhergesagt haben. Ist das Modell einer solchen Solarfusion also vollkommen falsch? Oder haben die Wissenschaftler bei ihren Tests etwas Entscheidendes übersehen? Oder sind einfach die Messmethoden damals noch nicht in der Lage andere Ergebnisse zu liefern?

Lichtblitze und das schwere Wasser

Antwort auf die vielen Fragen konnte ein Detektor der Sudbury Neutrino Observatory (SNO) im Jahr 2001 liefern. Rund 2000 Meter unter der Erdoberfläche sitzt dieser im Bundesstaat Ontario (Kanada) und ist somit perfekt gegen herumfliegende Teilchen geschützt und isoliert. Hauptbestandteil des Detektors ist ein riesiger runder Acrylglastank, der in einer mit Wasser gefüllten Kaverne lagert. Im Innern enthält der Tank viele Tausend Tonnen schweres Wasser. Darunter verstehen die Physiker Wasser, deren Wasserstoffatome zusätzlich ein Neutron im Kern aufweisen. Sobald ein Neutrino auf ein genau solches Atom trifft, verwandelt sich das Neutron in ein Elektron und ein Proton. Dabei bewegt sich das freigesetzte Elektron mit einer enorm hohen Geschwindigkeit durch das Wasser und zieht dabei eine bläuliche Leuchtspur hinter sich her. Experten sprechen von einer Tscherenkow-Strahlung. Erneut ein Beweis für eine Neutrino-Kollision, mithilfe von Photodetektoren ermittelt. Fast 10.000 Stück umgeben den Tank unter der Erde. Doch bei den Forschungen kommt noch etwas ganz anderes zum Vorschein. Und zwar Signale einer weiteren Detektormethode, die nahelegen lässt, dass weitere Neutrinos in dem unterirdischen Tank aktiv sind. Dabei handelt es sich scheinbar um Neutrinos, die über andere Eigenschaften verfügen müssen, da sie den Betazerfall des Deuteriums nicht auslösen. Eine Sensation, die Geschichte in der Wissenschaft schreibt. Denn es ist der Beweis dafür, dass verschiedene Sorten von Neutrinos geben muss.

Doch wo liegt ihr Ursprung? Die Sonne ist der Produzent der bisher bekannten Sorte. Man gehe davon aus, dass das Missverhältnis von einer Veränderung innerhalb der Geisterteilchen selbst kommt, erklärte der Projektleiter vom SNO Arthur McDonald im Sommer 2001. Die Forscher gehen davon aus, dass die Teilchen im Flug ihre Identität wechseln können. Kurze Zeit später ist klar, dass es tatsächlich drei Identitäten gibt, die die Teilchen annehmen können – Physiker sprechen von sogenannten „Flavours“ also Geschmäckern. Vorkommen dabei Elektron-Neutrino, Tau-Neutrino und Myon-Neutrino. Dabei sind die Teilchen nicht auf eine bestimmte Art festgelegte. Ein in der Sonne entstandenes Elektron-Neutrino kann theoretisch auf dem Weg zur Erde immer wieder zwischen den Flavours wechseln. Es oszilliert also. Als welches Neutrino es dann später reagiert, hängt von der direkten Kollision mit der Materie ab. Der ständige Wechsel ist eine Erklärung für die vermeintlich fehlenden Sonnenteilchen, die den Forscher lange Zeit Kopfzerbrechen bereiteten. Die Lösung ist simpel: fast alle gebauten Detektoren waren auf den Nachweis von lediglich der bisher bekannten, existierenden Neutrino-Art ausgelegt. Die beiden anderen Geschmäcker blieben unsichtbar. Es ist also kein Wunder, dass in den Messwerten immer nur ein geringer Anteil der von der Sonne produzierten Teilchen nachgewiesen konnten. Mit neuen Detektoren, die alle drei Flavours messen können, konnten die vermeintlich fehlenden Geisterteilchen mittlerweile nachgewiesen werden. Die Messergebnisse passen gut mit den theoretischen Ansätzen zusammen.

Unmögliche Masse

Die Erforschung der drei verschiedenen Neutrino-Geschmäcker sorgte 2001 noch aus einem ganz anderen Grund für Aufregung in der Wissenschaft. Denn die jahrzehntelang existierende Teilchentheorie der Physik wird damit vollkommen auf den Kopf gestellt. Nach dieser dürften die Geisterteilchen eigentlich über keine Masse verfügen. Diese ist, zumindest sehr gering, für das Wechseln der einzelnen Geschmäcker aber nötig. Das Geschmäcker-Prinzip kann mit einem Lichtstrahl verglichen werden. Ein solcher besteht aus Licht in unterschiedlichen Wellenlängen. Sind diese alle ausbalanciert, nehmen wir weißes, farbloses Licht wahr. Strahlt das Licht aber beispielsweise durch Atmosphäre hindurch, verschieben sich die Wellenlängen und die Färbung dementsprechend ebenfalls. Das Licht hat nun einen Blau- oder Rotstich.

Auslöser des Identitätswechsels

Die Wellenlänge ist für das Licht ungefähr das, was die Masse für die Neutrinos ist. Auch bei den drei vorkommenden Flavours handelt es sich um ein und denselben Teilchentyp, die Neutrinos. Bis auf die Masse sind die Eigenschaften der drei unterschiedlichen Identitäten also genau gleich. Diese Masse ist allerdings, im Gegensatz zu Teilchen wie Elektronen und Neutronen aber nicht immer gleichbleibend und definiert. Jedes Geisterteilchen enthält eine individuelle Mischung aus drei Massen. Genau das ist laut Wissenschaftlern auch der Grund für den Identitätswechsel. Er erfolgt dann, wenn sich nach einer gewissen Zeit der Anteil dieser Massen verändert. Um die Theorie etwas besser verstehen zu können, stellen sich Physiker die drei Massen als Achsen vor, die senkrecht aufeinander stehen. Die drei Geschmäcker stellen drei Vektoren da, die allerdings nicht exakt an den Achsen ausgerichtet sind. Deshalb verfügt ein ElektronNeutrino nicht nur über drei Massen, sondern über einen Vektor, der in einem jeweiligen Winkel zur Achse der Massen steht. Bekannt waren bisher die beiden Winkel Theta 23 und Theta 12. Die Forscher stritten sich darüber, ob der dritte Winkel in etwa 0 betrage. Die Gegenspieler, also die Antineutrinos, gaben darüber 2012 Auskunft. Der Durchbruch gelingt im Rahmen des chinesischen Daya Bay Reactor Neutrino Experiments.

Stattgefunden hatte das Experiment etwa 55 Kilometer entfernt von Hongkong in einem Neutrino Observatorium in der Nähe der beiden Kernkraftwerke Ling Ao und Daya Bay. Zusammen produzieren sie jede Sekunde Trillionen an Antineutrinos. Davon wird ein Teil von sechs großen unterirdischen, mit Flüssigkeit gefüllten, Zylindern aufgefangen. Der eine Zylinder befindet sich 400 Meter, der zweite rund 1.600 Meter vom nächsten Reaktor entfernt. Die gesamten Detektoren weisen lediglich Elektron-Antineutrinos nach. Die beiden anderen Arten werden hier nicht erfasst. Eigentlich müssten in den Observatorien die gleiche Menge an Lichtsignalen gemessen werden, da im Reaktor ebenso nur Elektron-Antineutrinos produziert werden. Wäre da eben nicht die Oszillation. Die Identitätswechsel nehmen mit der zurückgelegten Strecke zu. So ist es auch keine große Überraschung, dass die Forscher im weiter vom Reaktor entfernten Detektor viel weniger Elektron-Neutrinos finden konnten, als im nahe gelegenen. Nicht erwartet hatten die Forscher dabei aber, dass eine so hohe Anzahl an Geisterteilchen verschwunden ist, fast sechs Prozent. Das gelte innerhalb der im Reaktor entstehenden Antineutrinos als absolute Seltenheit, teilte das Wissenschaftlerteam mit. Ebenfalls neu ist, dass der dritte, bisher ungeklärte Winkel Theta 13 geklärt werden konnte. Anhand der Messwerte beläuft sich dieser nicht auf etwa null, sondern 8,8. Das bedeutet, dass nun alle drei Zahlen der Winkel bekannt sind, die der Hauptgrund für die jeweilige Identität sind.

Folgen aus dem OPERA-Experiment

Es ist der 23. September im Jahr 2001. Der Raum im Genfer Forschungszentrum ist bereits 30 Minuten vor dem anstehenden Vortrag bis auf den letzten Sitzplatz besetzt. Journalisten und Wissenschaftler aus allen Herren Ländern quetschen sich hinein. Die Präsentation will niemand verpassen. Hier wird der Physiker Dario Autiero zusammen mit den Kollegen in wenigen Minuten von einer Weltsensation berichten. Eine Sensation, die an nichts Unerheblicheren rütteln wird, als der Basis der gesamten Physik: die Lichtgeschwindigkeit als schnellstmögliche und existierende Geschwindigkeit. Bisher lautet die Theorie, dass Teilchen mit Masse unter keinen Umständen schneller fliegen können als es Lichtwellen tun. Der Grund: die dafür nötige Energie wächst in Annäherungen an die Lichtgeschwindigkeit so erheblich an, dass diese in keinem Fall erreicht werden kann. Das war der Stand der Wissenschaft – bis zum 23. September 2001. Die Wissenschaftler am CERN und am italienischen Neutrino-Observatorium im Gran Sasso (Italien) machten eine beeindruckende Entdeckung. Ein Neutrinostorm, so die Mitglieder des Projekts, sollen die Grenze der Lichtgeschwindigkeit durchbrochen haben.
730 Kilometer zurückgelegte Strecke, quer durch massivstes Gestein in Überlichtgeschwindigkeit. Für das Experiment sendeten die Wissenschaftler einen Neutrinostrahl mit über 15.000 Teilchen vom Teilchenbeschleuniger im CERN bis ins italienische Gran Sasso. Eine Strecke von 730 Kilometern also, mit Querung der Alpen. Für die Geschwindigkeitsmessung kamen exakte Atomuhren und ein komplexes GPS-System zum Einsatz. Das Ergebnis: Die Teilchen haben diese Strecke um etwa 20 Millionstel schneller zurückgelegt, als Licht. Laut Einsteins Theorien ist das absolut unmöglich. Das Forschungsteam zweifelte deshalb selbst am Ergebnis und wiederholte das Experiment dutzende Male. Nach vielen Monaten der Tests und Analysen konnten die Wissenschaftler aber keinen Messfehler finden, erklärte der Sprecher der OPERA Kollaboration Antinio Ereditato auf der Pressekonferenz.

Große und kleine Fehlersuche

Wie lässt sich dieses Ergebnis erklären. Am sinnvollsten erscheint zunächst einen Fehler in der Zeitmessung. Dieser könnte eingetreten sein, wenn die beiden Uhren in Gran Sasso und CERN nicht exakt synchron eingestellt waren. Allerdings sprechen wir hier von einer Zeitdifferenz zwischen dem Start und dem Ziel von 2,3 Nanosekunden. Viel zu wenig, um dieses Messergebnis erklären zu können, so die Physiker. Zusätzliche Nanosekunden könnten dazukommen, weil die Abflugzeit der einzelnen Teilchen aus der Kanone minimal schwanken kann. Abschließend, so das Ergebnis der Prüfer, komme man mit dem gesamten Fehler einberechnet nur auf zehn Nanosekunden. Viel weniger als die gemessene Abweichung zur Lichtgeschwindigkeit und damit keine Erklärung für einen Messfehler. Die anwesenden Pressevertreter und Wissenschaftler sind aufgebracht und werfen die Fragen auf, ob nicht eventuell die Gezeitenkräfte oder die Tageszeiten eine mögliche Erklärung für die Messergebnisse sein können. Die Schwerkraft des Mondes sei immerhin in der Lage, Gestein im Untergrund minimal zu senken und anzuheben. Auf eine Einwirkung des Mondes gibt es allerdings keine Hinweise. Man habe die Tests außerdem zu unterschiedlichen Tageszeiten durchgeführt und sei immer auf das gleiche Endergebnis gekommen. Auch die aufgeworfene Frage nach dem Effekt der Temperatur auf die Exaktheit der GPS-Daten geht ins Leere. Die Mitglieder des Forschungsprojekts sind sich ihrer Sache selbst nicht ganz sicher. Haben sie tatsächlich eine Sensation entdeckt oder gibt es einen versteckten Technik- oder Denkfehler im Versuchsablauf und der Analyse. Wenn ein Experiment ein auf den ersten Blick unmögliches Ergebnis liefert und kein Fehler auffindbar sei, dann müsse man dieses Ergebnis veröffentlichen, damit andere es prüfen können, sagt Bertolucci. Und genau das ist passiert. Die kommenden Experimente und Untersuchungen müssen jetzt zeigen, ob die Messwerte der Beweis für eine physikalische Sensation sind, oder doch noch ein Fehler gefunden werden kann.

Gab es doch Störeffekte?

Auf die veröffentlichten Ergebnisse der CERN-Physiker gibt es unterschiedliche Reaktionen in der Wissenschaftswelt. Manch einer sei „entzückt“, wenn sich das Ergebnis bewahrheitet, meint der ein oder andere Physiker´, befürchtet aber, dass die Mehrheit der Wissenschaftsgemeinde ein solches Ergebnis nicht akzeptieren wird. Der Neutrinoforscher Chang Kee Jung von der Stony Brook University in New York sieht das anders. Er würde sein Haus darauf setzen, dass es sich bei dem Ergebnis um einen „systematischen Fehler“ handelt, sagte er. Dabei hält er einen Zeitbemessungsfehler für am wahrscheinlichsten. Das GPS-System habe im Normalfall bis zu zehn Nanosekunden Unsicherheitsfaktor und dieses sei eng verbunden mit dem exakten Timing. Deshalb sei Brook nicht klar, warum die Forscher die gesamte Spannweite der möglichen Fehler auf nur zehn Nanosekunden eingeschränkt haben.
Und er sollte Recht behalten. Anfang 2012 gegen die Forscher vom CERN eine neue Veröffentlichung bekannt. Sie haben nun leider Störquellen finden können, wegen der die Messergebnisse verfälscht worden sein könnten. Eine der Fehler lag offenbar in einem Oszillator, welcher die exakte Synchronisation der GPS Messungen bestimmt. Gab es hier einen Fehler, so könnte die Geschwindigkeit der Teilchen auf ihrer Strecke allerdings sogar unterschätzt worden sein. Die 15.000 winzigen Partikel könnten dann mit einer noch höheren Geschwindigkeit durch die Alpen geschossen sein, als vorher angenommen. Eine Möglichkeit, die allerdings wenig plausibel erscheint. Eine weitere, wesentlich realistischere Störquelle ist eine Glasfaserverbindung zwischen der Hauptuhr und dem GPS-System, welche als fehleranfällig gilt. Es ist theoretisch möglich, dass die Leitung zum Zeitpunkt der Messung nicht perfekt funktioniert hat, geben die Forscher an. Die geglaubte Sensation hätte sich damit erledigt, denn dann hätten die Partikel die Lichtgeschwindigkeit im besten Fall knapp erreicht, allerdings nicht überschritten.

Geisterteilchen finden Verwendung als Kommunikationsmittel und Energielieferant

Man stelle sich einmal vor, es ist möglich, Informationen in Lichtgeschwindigkeit auf den Mond zu schicken oder kabellos quer über den Globus störungsfrei und schnell zu funken. Besonders utopisch ist das nicht einmal. Das Medium, das dazu fähig wäre, ist bereits entdeckt und es trägt den Namen Neutrinos. Anfang 2012 bringt ein amerikanisches Forschungsteam den Beweis, dass man die Geisterteilchen tatsächlich für das Informationsübertragen nutzen kann. Das Team schickte das kodierte Wort „Neutrino“ rund 240 Kilometer durch dicke Felswand und erbrachten so den Beweis. Ein aufwendiges Experiment, denn dafür müssen zunächst Neutrinos im Teilchenbeschleuniger erzeugt werden des Fermilab bei Chicago. Eine Kreisbahn mit rund vier Kilometern Länge, auf der Protonen extrem beschleunigt werden. Diese prallen dann gegen eine Kohlenstoffplatte und bei diesem Aufprall werden die Neutrinos frei.

Einsen und Nullen

Damit die Geisterteilchen die Information aufnehmen und transportieren können, machen sich die Forscher das Prinzip der Nullen und Einsen zunutze. Ein binärer Code. So besteht das Wort „Neutrino“ beispielsweise aus einer Zeichenfolge mehrerer 0er und 1er. Damit diese Information übermittelt werden kann, werden die Neutrinogruppen stoßweise in einzelnen Pulsen immer wieder nach und nach losgeschickt. Dabei steht ein ausbleibender Puls für eine Null und ein Puls für eine Eins. Der Empfänger ist ein mehrere Tonnen schwerer und mehrere hundert Meter tiefer Neutrinodetektor, der 240 Kilometer entfernt die Information aufnimmt. Dabei fängt er etwa jedes zehnmilliardenste losgeschickte Neutrino auf. Daher muss jeder Puls eine Vielzahl an Teilchen enthalten.

Doch die Botschaft kommt an

In der Tat gelingt das Experiment. Der vergrabene Detektor kann die losgeschickten Pulse auffangen und übersetzen. Die Informationsübertragung ist also gelungen. Der Beweis dafür, dass eine Übertragung mithilfe von Neutrinos also möglich ist. Die Vorteile dieser Transportmöglichkeit sind klar. Man könnte mit ihrer Hilfe ganz ohne Satelliten und Kabel von allen Orten der Erde hin und her kommunizieren, erklärt Dan Stancil. Er ist einer der Experimentleiter von der North Caroline State Universität. Sogar U-Boote könnten sich somit problemlos und über weite Strecken hinweg verständigen. Eine Kommunikation, die mit den aktuellen technischen Gerätschaften oft unmöglich ist. Bis es soweit ist, dass die Geisterteilchen-Kommunikation auf den Markt kommt, kann allerdings noch etwas Zeit vergehen, denn noch wird einiges an modernster Technik benötigt, um die
Botschaftsübertragung möglich zu machen. Praktisch einsetzbar sei das daher „noch nicht“, so Kevin McFarland. Er war ebenfalls an dem Experiment beteiligt und arbeitet an der University of Rochester. Der nächste Schritt neben der Übertragung von Informationen wäre dann die drahtlose Übertragung von Energie.

Neutrinos als Werkzeuge nutzen

Neutrinos zählen nach wie vor zu den rätselhaftesten und geheimnisvollsten Partikeln unserer Galaxie, gleichzeitig sind sie perfekte Werkzeuge zur Erforschung des Weltalls. So können sie bei der noch immer unbeantworteten Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung helfen. Jede Sekunde wird unser Globus von Mengen an energiereichen Teilchen durchschossen. Darin sind nicht nur Protonen enthalten, sondern auch Partikel mit einer um bis zu hundert Millionen höheren Energie, als in irdischer Teilchenbeschleunigung hergestellt werden kann. Eine so enorm hohe Menge an Energie stammt unmöglich von einem gewöhnlichen Himmelskörper oder Stern. Für den Ursprung der Energie kamen im Grund lediglich zwei Dinge infrage. Zum einen die Gammastrahlenausbrüche und zum anderen die geheimnisvollen schwarzen Löcher. Sie beide produzieren so viel Energie, dass sich auch noch in Milliarden von Lichtjahren zu sehen sein werden. Sie beide bringen außerdem Unmengen an Protonen-Jets hervor, aus denen rund fünf Prozent zu Neutrinos verwandelt werden. Doch liegt der Ursprung der kosmischen Strahlung nun in den schwarzen Löchern oder in den
Gammastrahlenausbrüchen? Die Antwort liefert das Eis. Der IceCube besteht im Gegensatz zu den üblichen Neutrino-Observatorien nicht aus einem mit Wasser gefüllten Tank, sondern aus klarem Eis der Antarktis. Auf einem Quadratkilometer haben die Wissenschaftler über 80 Kabel mit je 60 Sensoren angebracht – und zwar direkt auf der Unterseite des Eises am Südpol. Die insgesamt über 5000 Module sollten die Lichtblitze aufspüren, die bei der Kollision vom Eis mit einem Neutrino entsteht. Dabei war der IceCube nicht auf den zuerst bekannten Geschmack ausgerichtet, sondern auf die MyonNeutrinos. Man könne dank der enorm hohen Präzision herausfinden, woher das Neutrino gekommen ist und das bis auf weniger als ein Grad exakt, betonte die beteiligte Forscherin Lisa Gerhardt vom Lawrence Berkeley National Laboratory. Diese Exaktheit machten sich die Forscher zunutze. So untersuchten und verglichen sie die Positionen von insgesamt 307 Gammastrahlenausbrüche zwischen 2008 und 2009 mit den
Messergebnissen im gleichen Zeitraum im IceCube. Anhand der Ergebnisse zeigt sich, dass die Strahlenausbrüche als Ursache ausschieden.
Damit ist nur noch eine mögliche Quelle im Rennen: die massereichen schwarzen Löcher. Ob die Teilchen, die aus den Löchern freigesetzt werden, tatsächlich bis zur Erde gelangen können, muss die laufende Forschung am IceCube erst in den nächsten Jahren zeigen.

Die weltweite Energie-Revolution mit Hilfe von Neutrinos

Seit 2008 beschäftigen sich eine Reihe von Forschungs- und Entwicklungsunternehmen wie die NEUTRINO INC (deutsch-US-amerikanischer Forscherverbund), die Neutrino Deutschland GmbH und die Neutrino ENERGY Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft mit der Wandlung von elektrischem Strom aus nichtsichtbarer Strahlung, u. a. der Neutrinos. Die Ergebnisse dazu überschlagen sich spätestens seit der Verleihung des Physik Nobelpreises an Prof. Arthur McDonald und Takaaki Kajita im Jahr 2015. Beide Wissenschaftler forschten unabhängig voneinander und bewiesen die Masseeigenschaft von Neutrinos. Das sich Neutrinos als Energielieferanten eignen, hatte Einstein bereits vor Jahrzehnten physikalisch begründet, denn nach seiner Relativitätstheorie (e=mc²) trägt jedes Element mit Masse in Bewegung automatisch auch Energie mit sich. Dennoch fanden damals die Forschungsergebnisse beider Preisträger bei den Medien und der Bevölkerung nur sehr wenig Beachtung und auch nur sehr wenige konnten bereits die enorme Bedeutung ihrer sensationellen Erkenntnisse begreifen. Es wurde aber der Startschuss für eine Reihe weitergehende wissenschaftliche Untersuchungen.

Seit die Wechselwirkung der Neutrinos am Atomkern nachgewiesen werden konnte und ein Jahr später dieser Umstand auch von verschiedenen US-Universitäten bestätigt wurde, werden inzwischen beinahe täglich neue Wissenschaftsstände zu den vormaligen Geisterteilchen veröffentlicht und vorgestellt. Die aktuellsten Detektoren, um eine Wechselwirkung von Neutrinos und Materie klar nachzuweisen, haben nur noch die Größe einer Armbanduhr.

Für die Forscher der Neutrino Energy Group, unter Führung ihres CEO dem Mathematiker Holger Thorsten Schubart, konnten nun auch die früheren und seit 2008 erzielten Labor- und Messergebnisse mit der theoretischen Physik in Einklang gebracht werden. Spätestens jetzt sollten die Physikbücher ein erneutes Mal umgeschrieben werden, denn Neutrino Energie ist existent und verfügbar.

Was ist das tatsächliche Geheimnis der Wandlung der Neutrinoenergie in elektrischen Strom, der auch im Haushalt zum Einsatz kommen kann? Vorauszusetzen ist zunächst die Erkenntnis, dass die meisten technischen Geräte heutzutage mit wenig Strom auskommen und mit noch weniger Strom auskommen könnten und so der Umstieg auf eine neutrinobasierende dezentrale Energie dazu beitragen wird, zu einer wesentlich klimaschonenderen Energieversorgung zu gelangen. Im Grunde genommen ist es wie mit der Photovoltaik, wo der sichtbare Teil der Strahlung Elektronen in Bewegung versetzt. Bei den Neutrinoenergie-Wandlern werden die Elektronen auf einem vorbereiteten Material durch Impulse der Neutrinos in Bewegung versetzt. Wichtig ist, diese Energie steht 365 Tage, 24 Stunden, Tag und Nacht zur Verfügung. Auch wenn die Grundlagenforscher, ein einzelnes Teilchen untersuchen, detektieren oder einfangen wollen, ein Neutrino Energiewandler fängt die Neutrinos nicht ein!

Heute wird elektrischer Strom meist in zentralen Großkraftwerken produziert und dann über viele tausend Kilometer Leitungen zu den Verbrauchern transportiert. Dabei geht auf dem Weg ein Großteil der Energie verloren. All das wäre bei einer dezentralen Energieversorgung nicht mehr notwendig. Die Lösung wären Neutrino-Energiewandler, sog. Neutrino Power Cubes, die in jedem Haushalt oder sogar im Kleinen in den einzelnen Elektrogeräten verbaut sein könnten. Die Neutrino Energy Gruppe arbeitet bereits seit Jahren an Modellen und Prototypen, die genau nach diesem System funktionieren.

Doch wie wird aus der Bewegungsenergie der Neutrinos elektrischer Strom? Die Lösung liegt in der Geometrie der Beschichtung der Materialien und der Resonanz, die dann entsteht, wenn die Partikel diese in Schwingungen versetzen. Werden die Beschichtungshauptbestandteile, nämlich Kohlenstoffderivate und dotierte Siliziumkristalle in Nanogröße, richtig auf dem jeweiligen Träger angeordnet, so sorgen die Impulse des massehaltigen und energetischen Teilchenstroms für Vibrationen, die sich in Resonanz weiter verstärken lassen. Die Neutrinos, die dabei nicht eingefangen werden, sorgen für eine periodische Anregung, einen Impuls und das hat zur Folge, dass die Anregungsfrequenz darauf auf den elektrischen Leiter als Resonanzfrequenz übertragen wird. Die Neutrino Deutschland GmbH hat dazu bereits weltweit mehrere Patente angemeldet.

Die Firma und mit ihr viele Wissenschaftler, Forscher und Physiker sind fest davon überzeugt, dass diese Technologie das gesamte Leben revolutionieren und verändern wird, denn mit der Neutrino Technologie und der Möglichkeit, die Effekte auf die benötigte Stromstärke nach oben zu skalieren und den elektrischen Geräten des täglichen Lebens anzupassen, wird in naher Zukunft so jedes einzelne Elektrogerät autark betrieben werden können. Und das vollkommen ohne Verstromung fossiler Brennstoffe, Kernkraftwerke, Überlandleitungen, Stromtrassen, Ladekabeln, Ladesäulen, Steckdosen und anderer Infrastruktur, die allesamt noch aus den Anfängen der Elektrizität stammen. Das gesamte System der Energiewirtschaft und -bereitstellung wird sich in den nächsten Jahrzehnten wandeln.
Der Physiker Prof. Stephen Hawking nannte die Neutrinoenergie die Energie, die dafür sorgt, dass in Zukunft keine Kriege oder andere geopolitischen Konflikte wegen knapper Ressourcen an fossilen Brennstoffen und Wasser mehr geführt werden. Er nannte die Erkenntnisse rund um die Neutrinoenergie und die damit einhergehenden Möglichkeiten, eine der bedeutendsten Herausforderungen der Menschheit des 21. Jahrhunderts, wenn nicht die bedeutsamste. Neutrino Energie ist eine unaufhaltbare Technologie, die nun Schritt für Schritt den Markt erobern wird.
Alle bisher vorhandenen Methoden zur Energiegewinnung neigen sich ihrem natürlichen oder klimapolitischen Ende. Seien es, die immer weniger werdenden Ressourcen an fossilen Rohstoffen und der kommende Tag X, wo der letzte Tropfen Öl verstromt und die letzte Schippe Kohle verbrannt ist oder die Gefahren der Kernenergie, die uns zu einem Umdenken zwingen. Uns steht an jedem Ort der Erde aus sichtbarer oder nichtsichtbarer Strahlung eine Energie zur Verfügung, wie den Neutrinos, die täglich tausendfach mehr Energie als der Weltenergiebedarf repräsentiert.
Die Welt wird nun Zeuge des Schrittes in das nächste elektrische Zeitalter werden. Eine Transformation, die sich in einigen Jahren oder in wenigen Jahrzehnten vollzieht. Der Fortschritt lässt sich nicht mehr aufhalten, Neutrino Energie, Zeit für den perfekten Strom.