Geisterteilchen

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Meine lieben,
Ich glaube, ich habe in den ganzen Jahren noch nie über einen vergebenen Nobelpreis geschrieben. Das überlasse ichmeistens den Medien und oft bin ich mit den Themen nicht vertraut. In diesem Jahr 2026 ging der Nobelpreis für Physik aber an etwas, und an jemanden, wofür ich mich schon seit vielen Jahren interessiere und einiges darüber weiß. Lasst euch überraschen.

manchmal beginnt eine große Entdeckung mit etwas, das eigentlich gar nicht da sein dürfte. Oder besser gesagt: mit etwas, das fehlt.

Stellt Euch vor, Ihr beobachtet einen Vorgang, messt sorgfältig die Energie und stellt fest: Da stimmt etwas nicht. Ein Teil der Energie scheint verschwunden zu sein. Die Messgeräte sind in Ordnung, die Rechnung ist richtig, und trotzdem will die Natur nicht so recht ins Schema passen. Was nun?

• Messfehler?
• Eine falsche Theorie?
• Oder fehlt in unserer Vorstellung schlicht ein Puzzleteil?

Vor einem solchen Rätsel stand der Physiker Wolfgang Pauli vor fast hundert Jahren. Seine Lösung war ziemlich gewagt: Vielleicht gab es da ein Teilchen, das wir noch gar nicht kannten. Eines, das Energie und Impuls davontrug, ohne dass wir es bemerkten.

Dieses Teilchen heißt heute Neutrino. Und es ist ein ganz besonderer Kandidat für unsere Rubrik „Dinge, die da sind, obwohl man sie kaum zu fassen bekommt“.

Der Physik-Nobelpreis des Jahres 2026 bringt uns gerade wieder auf seine Spur. Ausgezeichnet wurde der Physiker Francis Halzen für seine entscheidenden Beiträge zum Neutrinoobservatorium IceCube und zur Entdeckung hochenergetischer Neutrinos kosmischen Ursprungs. Damit wird eine Form der Astronomie gewürdigt, die sich nicht auf das Licht verlässt, sondern auf Teilchen, die uns aus den gewaltigsten Vorgängen im Universum erreichen.

Aber bevor wir zum Südpol reisen, müssen wir uns erst einmal mit einem Teilchen anfreunden, das sich wirklich nicht aufdrängt.

Ein Teilchen aus der Not geboren

Wir schreiben das Jahr 1930. Beim sogenannten Betazerfall zerfällt ein Atomkern. Dabei wird unter anderem ein Elektron ausgesandt. Nun könnte man erwarten, dass dieses Elektron immer eine ganz bestimmte Energie besitzt. Doch die Messungen zeigten etwas anderes: Die Elektronen kamen mit unterschiedlichen Energien daher.

Das war kein bloßes Detail für Erbsenzähler. Die Energie muss bei einem solchen Vorgang erhalten bleiben. Wenn das Elektron weniger Energie mitnimmt, als nach den bisherigen Vorstellungen zu erwarten wäre, dann muss die übrige Energie irgendwo geblieben sein.

Wolfgang Pauli schlug deshalb vor, dass beim Zerfall noch ein weiteres Teilchen entsteht. Es sollte elektrisch neutral sein, nur sehr wenig Masse besitzen und einen Teil der Energie mitnehmen. Auch der Impuls und der Drehimpuls des gesamten Vorgangs sollten so erhalten bleiben.

Pauli hatte damit ein Teilchen vorgeschlagen, das man noch nicht nachweisen konnte. Das war eine kühne Idee. Der italienische Physiker Enrico Fermi gab ihm später den Namen „Neutrino“, sinngemäß ein kleines neutrales Teilchen.

Bis zum experimentellen Nachweis vergingen allerdings noch gut 25 Jahre. 1956 gelang es Clyde Cowan und Frederick Reines, Neutrinos aus der Nähe eines Kernreaktors nachzuweisen. Das Teilchen, das zunächst vor allem eine Erklärung für ein Energieproblem gewesen war, war damit in der Natur angekommen.

Nun sind Neutrinos allerdings keine gewöhnlichen Besucher. Sie tragen keine elektrische Ladung und wechselwirken nur äußerst selten mit Materie. Während Licht an Materie gestreut oder absorbiert werden kann, durchqueren Neutrinos ganze Planeten, ohne auch nur anzuklopfen. Milliarden von ihnen fliegen in jeder Sekunde durch unseren Körper. Wir bemerken davon nichts.

Die Sonne liefert zu wenig

Mit der Entdeckung des Neutrinos war die Geschichte noch lange nicht zu Ende. Im Gegenteil: Bald zeigte sich, dass dieses Teilchen neue Rätsel mitbrachte.

In der Sonne laufen Kernreaktionen ab, bei denen gewaltige Mengen Neutrinos entstehen. Aus unserem Wissen über die Vorgänge im Sonneninneren ließ sich berechnen, wie viele dieser Teilchen auf der Erde ankommen sollten. Doch als der amerikanische Physiker Raymond Davis in den 1960er-Jahren mit seinem Experiment nach ihnen suchte, fand er viel weniger als erwartet.

Sein Detektor befand sich tief unter der Erde in einer Goldmine in South Dakota. Dort stand ein riesiger Tank mit ungefähr
100.000 US-Gallonen – das entspricht rund 379.000 Litern
einer chlorhaltigen Flüssigkeit. Die Idee war, dass ein seltenes Neutrino mit einem Atomkern reagieren und dabei ein radioaktives Argonatom erzeugen konnte. Dieses Argon ließ sich anschließend aufspüren und zählen.

• Ein eingefangenes Sonnenneutrino konnte aus Chlor-37 ein Atom Argon-37 machen.
• Argon-37 hat eine Halbwertszeit von ungefähr 35 Tagen. Während die Forschenden auf weitere Neutrinos warteten, zerfielen also bereits einige der mühsam erzeugten Argonatome wieder.
• Nach einer Sammelphase wurde das Argon mit Helium aus dem Tank gespült, aufkonzentriert und in einem winzigen Zählrohr untersucht. Die Forschenden registrierten die Zerfälle und mussten statistisch zwischen Neutrinosignal und Hintergrund unterscheiden.

Das Experiment war eine Geduldsprobe. Die Forschenden mussten über lange Zeit hinweg nach wenigen Ereignissen suchen. Und das Ergebnis war verblüffend. Es wurden nur etwa ein Drittel der erwarteten Elektron-Neutrinos registriert.

• Hatte man die Sonne falsch verstanden?
• War der Detektor unzuverlässig?
• Oder verhielten sich die Neutrinos unterwegs anders, als man dachte?

Die Antwort war tatsächlich die letzte Möglichkeit. Neutrinos treten in drei Sorten auf, die man Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos nennt.
Neutrinos sind das, was man bei Harry Potter Gestaltwandler nennt.
Sie können sich verwandeln.

Während sie sich durch den Raum bewegen, können sie zwischen ihren drei Sorten wechseln. Dieses Phänomen heißt Neutrinooszillation.

Der Detektor von Davis war vor allem für Elektron-Neutrinos empfindlich. Wenn ein Teil der Teilchen unterwegs in andere Sorten wechselte, konnte das Experiment sie nicht auf dieselbe Weise registrieren. Die fehlenden Neutrinos waren also nicht verschwunden. Sie hatten gewissermaßen ihre Sorte gewechselt.

Diese Erklärung wurde durch weitere Experimente bestätigt. Zugleich ergab sich eine wichtige Konsequenz: Neutrinos müssen Masse besitzen. Das war ein Hinweis darauf, dass das damalige Standardmodell der Teilchenphysik nicht die ganze Geschichte erzählte.

Aus einem scheinbar misslungenen Experiment war eine neue Erkenntnis geworden. Und wieder zeigte sich: Wenn die Natur nicht so antwortet, wie wir es erwarten, kann genau darin der Anfang einer Entdeckung liegen.

ein Eiswürfel am Südpol

Damit sind wir beim aktuellen Nobelpreis und bei Francis Halzen angekommen. Seine große Idee war, das Eis am Südpol als riesigen Neutrinodetektor zu nutzen.

Warum ausgerechnet Eis? Weil Neutrinos so selten mit Materie wechselwirken, braucht man eine gewaltige Menge davon, um eine brauchbare Zahl von Ereignissen zu registrieren. Ein kleiner Tank reicht für bestimmte Experimente, aber für die Suche nach besonders energiereichen Neutrinos aus dem Kosmos darf es gern etwas mehr sein.

IceCube nutzt ungefähr einen Kubikkilometer antarktisches Eis. In tiefen Bohrlöchern wurden Tausende lichtempfindliche Sensoren installiert. Sie bilden ein dreidimensionales Messinstrument, das im Eis nach winzigen Lichtsignalen Ausschau hält.

Natürlich sieht IceCube ein Neutrino nicht einfach vorbeifliegen. Das wäre ja auch zu schön. Erst wenn ein Neutrino doch einmal mit einem Atomkern im Eis wechselwirkt, kann es geladene Teilchen erzeugen. Diese Teilchen bewegen sich mitunter schneller durch das Eis, als sich Licht dort ausbreitet. Dabei entsteht ein schwaches blaues Licht, die sogenannte Tscherenkow-Strahlung.

Die Sensoren registrieren, wann und wo dieses Licht eintrifft. Aus der Verteilung der Lichtsignale können die Forschenden rekonstruieren, in welche Richtung sich das entstandene Teilchen bewegt hat und wie energiereich das Ereignis war. Daraus lässt sich auf das ursprüngliche Neutrino schließen.

Und warum müssen wir dafür so tief ins Eis? Weil die Signale selten sind und störende Einflüsse möglichst gut abgeschirmt werden sollen. Der riesige Detektor braucht eine große Menge klaren und durchsichtigem Eises und eine möglichst ruhige Umgebung. Der Südpol ist dafür ein sehr geeigneter Standort.

Die Arbeit von Halzen und den vielen beteiligten Forschenden und Ingenieuren hat damit eine neue Art von Astronomie möglich gemacht. Hochenergetische Neutrinos können aus extremen kosmischen Umgebungen stammen. Sie verraten uns etwas über Orte, an denen Teilchen auf gewaltige Energien beschleunigt werden – und über Vorgänge, die wir allein mit Licht nicht vollständig verstehen würden, z. B. über die Umgebungen um schwarze Löcher herum, sterbende Sterne oder die Verschmelzung von Neutronensternen.

Übrigens: Einige IceCube-Ereignisse haben in der Fachwelt Namen bekommen, die eher an die Sesamstraße als an ein Teilchenphysiklabor erinnern. „Bert“ und „Ernie“ heißen zwei frühe, besonders bemerkenswerte Ereignisse hochenergetischer Neutrinos. Auch in der Spitzenforschung darf man offenbar gelegentlich ein wenig Kind bleiben.

Klingende Neutrinos

Meine lieben, jetzt haben wir uns eine ganze Weile mit Lichtblitzen im antarktischen Eis beschäftigt. Aber wie wäre es, wenn wir dieses riesige Neutrinoexperiment nicht nur erklären, sondern auch sinnlich erfahrbar machen könnten?

Genau das hat der Künstler Tim Otto Roth aus Oppenau im Schwarzwald versucht. Seine Installation trägt den Namen aiskju:b – eine lautmalerische Schreibweise von „IceCube“, die zugleich ein bisschen nach Eiswürfel klingt.

Roth setzte das Südpol-Experiment mit 444 illuminierten Lautsprechern um. In dieser begehbaren Installation wurden wissenschaftliche Messdaten in Klänge und Farben übersetzt. Die Teilchenspuren, die IceCube im Eis registriert, konnten so auf eine ganz andere Weise erlebt werden. Was im eigentlichen Experiment als zeitliche Folge von Lichtsignalen in Tausenden Sensoren auftaucht, bekam hier eine räumliche und akustische Gestalt.

Der IceCube-Physiker Christian Spiering war von dieser Umsetzung begeistert. Und ich kann gut verstehen, warum. Denn die Kunst versucht hier nicht einfach, ein wissenschaftliches Gerät hübsch nachzubauen. Sie eröffnet einen anderen Zugang zu einem Experiment, dessen eigentlicher Gegenstand sich unseren Sinnen normalerweise entzieht.

Wir sind mal wieder mit dem Ohr am Teleskop

Natürlich hören wir dabei nicht das Neutrino selbst. Die Klänge sind eine künstlerische Übersetzung der Messdaten, keine Geräusche, die das Teilchen im Eis tatsächlich erzeugt. Aber gerade das ist spannend: Aus Daten wird eine Erfahrung, die uns eine Vorstellung davon vermitteln kann, was sonst nur in Diagrammen, Messkurven und wissenschaftlichen Publikationen zugänglich ist.

Vielleicht wäre der Nobelpreis ein schöner Anlass, die Installation nochmal aus dem Eisfach zu holen. Immerhin gibt es eine Projektseite mit sogar Klangbeispielen.
Hier lang.

Die Boten, die vor dem Licht ankamen

Neutrinos können uns nicht nur von weit entfernten Beschleunigern im Kosmos erzählen. Sie sind auch besonders wertvolle Boten, wenn Sterne ihr Leben auf spektakuläre Weise beenden.

Am 23. Februar 1987 wurde eine Supernova in der Großen Magellanschen Wolke beobachtet. Diese kleine Begleitgalaxie unserer Milchstraße liegt ungefähr 160.000 Lichtjahre entfernt. Mehrere Neutrinodetektoren auf der Erde registrierten Teilchen, die mit diesem Ereignis in Verbindung gebracht werden konnten. Insgesamt handelte es sich nur um einige Dutzend nachweisbare Neutrinoereignisse – und doch war das ein Meilenstein.

Die Neutrinos kamen ungefähr drei Stunden vor dem sichtbaren Aufleuchten der Supernova an. Das klingt zunächst so, als hätten sie das Licht überholt. Haben sie aber nicht. Die Erklärung liegt im Inneren des sterbenden Sterns.

Bei einer Kernkollaps-Supernova stürzt der Kern eines massereichen Sterns in sich zusammen. Dabei werden ungeheure Mengen Energie frei, und ein großer Teil davon wird als Neutrinos abgestrahlt. Weil Neutrinos nur selten mit Materie wechselwirken, können sie den dichten Stern relativ rasch verlassen.

Die Lichtquanten haben es deutlich schwerer. Sie werden im Inneren des Sterns immer wieder gestreut und absorbiert und müssen sich ihren Weg durch die äußeren Schichten erst bahnen. Erst wenn die Explosion die Sternhülle genügend aufgelockert hat, wird der Stern auch im sichtbaren Licht auffällig.

Die Neutrinos waren also nicht schneller als das Licht. Sie konnten nur früher aus dem Inneren entkommen.

Man könnte sagen, dass die Neutrinos schon den Brand melden, während die Flammen für uns noch hinter einer dicken Wand verborgen sind.

Was wiegt der Geist

Nach dem Südpol und der Großen Magellanschen Wolke machen wir einen Sprung zurück in die Heimat. Denn auch bei uns am KIT, auf dem Campus Nord, wird dem Neutrino nachgespürt. Hier steht das KATRIN-Experiment, dessen Name für „Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment“ steht.

Die Frage, die KATRIN beantworten möchte, ist eine andere als die von IceCube. IceCube nutzt hochenergetische Neutrinos, um extreme Vorgänge im Universum zu untersuchen. KATRIN hingegen will die Masse des Elektron-Antineutrinos bestimmen.

Das klingt zunächst so, als würde man das Neutrino auf eine Waage legen. Doch natürlich funktioniert das nicht. KATRIN untersucht den Betazerfall von Tritium, einem radioaktiven Wasserstoffisotop. Dabei entsteht unter anderem ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino.

Die Energie, die bei diesem Zerfall frei wird, verteilt sich auf die beteiligten Teilchen. KATRIN misst die Energie der Elektronen mit außerordentlicher Präzision. Besonders interessant ist das Ende des Elektronen-Energiespektrums: Dort zeigt sich, wie viel Energie dem Elektron im äußersten Grenzfall zur Verfügung steht.

Aus der genauen Form dieses Spektrums lässt sich ableiten, welche Masse das Neutrino haben kann. Es wird also kein einzelnes Neutrino gewogen. Vielmehr vergleicht man die Messdaten mit den theoretischen Erwartungen und prüft, welche Neutrinomassen mit den Beobachtungen vereinbar sind.

Oder etwas frecher gesagt: KATRIN wiegt eine Differenz – genauer gesagt, es sucht nach dem winzigen Einfluss der Neutrinomasse auf die gemessene Energieverteilung. Und das ist eine beachtliche experimentelle Leistung.

Das Herzstück der Anlage ist ein gewaltiges elektrostatisches Spektrometer. Sein Hauptspektrometer ist rund 24 Meter lang und etwa zehn Meter im Durchmesser. Es ist so groß, dass seine Reise nach Karlsruhe zu einer Geschichte für sich wurde.

Gefertigt wurde der riesige Behälter in Deggendorf. Der Transport auf dem Landweg wäre schwierig gewesen, deshalb ging es auf eine lange Schiffsreise: über die Donau und das Schwarze Meer, durch das Mittelmeer, rund um die Iberische Halbinsel und über den Atlantik und die Nordsee. Von dort führte der Weg über den Rhein weiter nach Karlsruhe. Insgesamt waren es rund 8.800 Kilometer – eine Weltreise für ein Messgerät, das am Ende eine winzige Teilchenmasse eingrenzen soll.

Das schmeckt dem Sternenonkel. Für die Suche nach einem der leichtesten Teilchen der Natur braucht man einen der eindrucksvollsten Apparate der Teilchenphysik. Und dann muss man ihn erst einmal heil an seinen Bestimmungsort bringen.

Es gibt noch weitere Detektoren auf der Erde.

• KM3NeT
  Das ist Dein Unterwasser-Teleskop! Es besteht aus zwei Teilanlagen: ARCA vor Sizilien sucht besonders nach hochenergetischen kosmischen Neutrinos; ORCA vor der französischen Küste untersucht unter anderem Neutrinooszillationen.
• Super-Kamiokande
  Ein unterirdischer Tank mit 50.000 Tonnen ultrareinem Wasser und rund 13.000 Lichtsensoren. Er beobachtet unter anderem Sonnen-, atmosphärische und Beschleuniger-Neutrinos. Durch Gadolinium im Wasser lassen sich bestimmte Neutrinoreaktionen besser von Störsignalen unterscheiden.

• SNO+
  Der Nachfolger des berühmten Sudbury Neutrino Observatory. Eine große Kugel mit Flüssigszintillator registriert winzige Lichtsignale. SNO+ untersucht unter anderem Sonnen- und Geo-Neutrinos – also Teilchen, die bei radioaktiven Zerfällen im Erdinneren entstehen.
• JUNO
  Ein riesiger kugelförmiger Flüssigszintillator-Detektor, der die Eigenschaften und das Verhalten von Neutrinos mit hoher Präzision vermessen soll. JUNO ist besonders auf die Frage ausgerichtet, in welcher Reihenfolge die verschiedenen Neutrinomassen liegen. 2026 begann die neue Anlage, ihre ersten wissenschaftlichen Ergebnisse zu liefern.

Ein unsichtbarer Anfang und eine lange Suche

Meine lieben, wenn wir uns die Geschichte des Neutrinos anschauen, dann lernen wir nicht nur etwas über ein besonders scheues Elementarteilchen. Wir lernen auch etwas darüber, wie Physik funktioniert.

• Wolfgang Pauli postulierte das Neutrino, bevor es jemand nachweisen konnte.
• Einstein sagte Gravitationswellen voraus, lange bevor es Messgeräte gab, die winzige Erschütterungen der Raumzeit registrieren konnten.
• Und das Higgs-Boson blieb jahrzehntelang ein theoretisch vorhergesagtes Teilchen, bis am CERN endlich die passenden Spuren in den Messdaten auftauchten.

Drei Geschichten, drei unterschiedliche physikalische Probleme – und doch eine gemeinsame Erfahrung. Manchmal führt uns die Mathematik an eine Grenze, hinter der wir etwas vermuten, das wir noch gar nicht beobachten können.

Natürlich ist damit nicht alles, was sich jemand ausdenkt, schon Wissenschaft. Eine schöne Idee allein genügt nicht. Sie muss sich an der Natur messen lassen, überprüfbare Vorhersagen liefern und sich im Experiment bewähren. Und manchmal dauert es eben Jahrzehnte, bis wir die technischen Möglichkeiten besitzen, um herauszufinden, ob unsere Rechnungen tatsächlich recht behalten.

Vielleicht ist das eine der schönsten Seiten der Wissenschaft. Wir müssen nicht schon alles sehen können, um eine gute Frage zu stellen. Aber wir müssen bereit sein, lange genug nach einer Antwort zu suchen, und unsere Vorstellungen zu ändern, wenn die Natur uns etwas anderes erzählt.