Aktuell: Teilchenphysik
26. Mai 2000 © email: Krahmer
www.schulphysik.de/aktker07..html

Man sieht sie nicht, hört sie nicht und der Nachweis ist schwierig. Die Rede ist von Neutrinos, Elementarteilchen ohne elektrische Ladung,die ähnlich den Partikeln des Lichtes, den Photonen, sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Drei verschiedene Spezies wurden mittlerweile festgestellt. Die Frage, ob Neutrinos eine Masse besitzen oder nicht, beschäftigt die Physiker seit vielen Jahren. Viele Experimente zur Klärung dieser Frage sind bisher unternommen worden, die meisten erbrachten kein klares Resultat. In den letzten Jahren gab es die ersten Hinweise darauf, daß Neutrinos, im Gegensatz zu den Photonen, tatsächlich eine Masse besitzen. Die Masse der Neutrinos spielt in unserem heutigen Verständnis der Entstehung und des gegenwärtigen Zustands der Sterne und des Universums eine entscheidende Rolle. Unter dem Namen OPERA wird in den kommenden Jahren ein großes Experiment zur Bestimmung der Neutrinomasse im Gran-Sasso-Massiv in Italien errichtet werden. Neben Universitäten und Forschungslabors aus Italien, Frankreich, Türkei, Belgien, Schweiz, Japan, Israel und Russland ist auch das Labor für Messwerterfassung und -umformung des Fachbereichs Elektrotechnik und Informationstechnik der Märkischen Fachhochschule (MFH) unter der Leitung von Prof. Dr. Helmut Sohlbach beteiligt. Der deutsche Physiker Wolfgang Pauli schlug im Jahre 1930 die Existenz eines ungeladenen Teilchens zur Erklärung bisher unverstandener Ergebnisse beim Zerfall von Neutronen vor, dieses Teilchen wurde dann von dem italienischen Physiker Enrico Fermi 'Neutrino' (d.h. 'kleines Neutron') getauft. Viele Jahre sollten vergehen, bevor der erste experimentelle Nachweis gelang, inzwischen schrieb man das Jahr 1956. Einer direkten Messung entziehen sich jedoch die Neutrinos bis heute, obwohl ihre Existenz durch viele Untersuchungen gesichert ist. Wenn Neutrinos eine Masse besitzen, dann folgt daraus eine über-raschende Eigenschaft: die verschiedenen Neutrino-Arten können sich ineinander verwandeln. Diese Eigenschaft verrät, ob Neutrinos massebehaftet sind oder nicht und wird 'Neutrino-Oszillation' genannt. Nach dem Auftreten von Neutrino-Oszillationen wird mit dem OPERA-Detektor im Gran-Sasso-Massiv gesucht. Ergebnisse dieser Suche können wichtige Beiträge zur Klärung der Natur der sog. Dunklen Materie im Universum sowie der Widersprüche aus Messungen des Neutrinoflusses der Sonne liefern. Das vorhandene Untergrundlabor im Gran-Sasso-Massiv bietet dafür ideale Bedingungen. Ab 2005 soll dann vom Europäischen Zentrum für Teilchenphysik (CERN) in Genf ein Neutrinostrahl produziert und quer durch die Alpen auf den OPERA-Detektor im 732km entfernten Untergrundlabor gerichtet werden. Der massive Fels, der das Untergrundlabor umgibt, sorgt für eine sehr wirkungsvolle Abschirmung des Detektors von der Höhenstrahlung, so dass die relativ selten zu beobachtenden Neutrino-Ereignisse nicht von anderen Ereignissen überlagert werden. Der Detektor besteht aus etwas 200000 Bleiziegeln, zwischen denen sich photografische Emulsionen befinden. Trifft eines der Neutrinos einen Blei-Atomkern, dann entstehen geladenen Teilchen, die Spuren in den photografischen Emulsionen hinterlassen. Diese Spuren erlauben eine Rekonstruktion des Geschehens und eine Bestimmung der Eigenschaften des auslösenden Neutrinos. Die Rekostruktion der Spuren wird mit Hilfe automatischer Mikroskope vorgenommen und erlaubt eine Vermessung der Spuren mit einer Genauigkeit von 10 Mikrometer. Ein solches Mikroskop befindet sich im Institut für Kernphysik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster. Das Labor der MFH in Hagen wird Geräte und Verfahren zur Beschleunigung der Spurrekonstruktion entwickeln, die in Münster und an weiteren beteiligten Instituten zum Einsatz kommen werden. "Dabei", so Prof. Sohlbach, "sollen die Verfahren und Technologien zur Analyse dieser Emulsionen weiterentwickelt werden, um damit schnellere und präzisere Aussagen über die Eigenschaften der Neutrinoreaktionen in den Emulsionen zu erhalten". Man erwartet eine Fläche von 1m2 zu analysierendem Film pro Tag, was einer Rohdatenmenge von unvorstellbaren 400.000 Megabyte entspricht. Zum Glück sind die Neutrinoereignisse auf einen Bruchteil dieser Fläche begrenzt. Im Jahre 2003 sollen die ersten Neutrinos im Gran Sasso eintreffen, bis dahin ist Zeit, die Probleme bei der Analyse der Emulsionen zu lösen. Bei der dann beginnenden Analyse der Neutrinoereignisse wird die MFH in Zusammenarbeit mit dem Institut für Kernphysik der Westfälischen Wilhelms-Universität beteiligt sein. Und damit, so hoffen die beteiligten Forscher, werden einige noch ungelöste Fragen über das Universums beantwortet werden können.
Professor Sohlbach ist Mitglied einer internationalen Forschergemeinschaft zur Suche nach Neutrino-Oszillationen

Rechts: Trifft eines der Neutrinos einen Blei-Atomkern, dann entstehen geladenen Teilchen, die Spuren in den photographischen Emulsionen hinterlassen