Der Physik-Nobelpreis geht in diesem Jahr an drei Astrophysiker:  Je ein Viertel erhalten der Japaner Masatoshi Koshiba und der Amerikaner Raymond Davis Jr. für ihre grundlegenden Arbeiten zur Erforschung kosmischer Neutrinos. Die andere Hälfte des mit 1,1 Millionen Euro dotierten Preises geht an den amerikanischen Physiker Riccardo Giacconi, der den Grundstein für die Röntgenastronomie legte. astronews.com stellt die drei Preisträger und ihre Forschung in einer kleinen Reihe vor. Heute: Raymond Davis Jr.

Raymond Davis Jr. Foto:  BNL

Raymond Davis Jr. wurde am 14. Oktober 1914 in Washington, D.C., geboren. Er studierte an der Universität von Maryland und promovierte 1942 an der Yale University. Nach seiner Militärzeit während des 2. Weltkrieges und zwei Jahre bei einer Chemiefirma, kam er 1948 zur chemischen Abteilung im Brookhaven National Laboratory in Upton im US-Staat New York, wo er fast ein halbes Jahrhundert lang blieb. 1964 wurde er leitender Chemiker. Obwohl er 1984 in den Ruhestand ging, blieb er dennoch Mitarbeiter der Forschungsabteilung. Im folgenden Jahr ging er an die University of Pennsylvania, um seine Neutrino-Experimente fortzusetzen. 1971-73 war Davis bei der NASA an der Untersuchung des von Apollo 11 zur Erde gebrachten Mondgesteins beteiligt. Für seine Arbeiten erhielt Davis zahlreiche Auszeichnungen. Dieses Jahr wurde ihm die National Medal of Science für 2001 vom amerikanischen Präsidenten George W. Bush überreicht, die höchste wissenschaftliche Ehrung der USA für einen Forscher.

"Neutrinos sind faszinierende Teilchen, so klein und so schnell, dass sie geradewegs durch alles hindurch fliegen können, selbst durch die Erde, ohne dabei langsamer zu werden," sagt Davis. "Als ich meine Arbeit begann, wollte ich etwas neues lernen. Das Interessante an neuen Experimenten ist, dass man nicht weiß, was dabei heraus kommt." Heute lebt der Vater von fünf Kindern zurückgezogen mit seiner Frau Anna in dem kleinen Küstenparadies Blue Point auf Long Island, US Bundesstaat New York.

"für ihre Pionierarbeit in der Astrophysik, insbesondere durch die Entdeckung von kosmischen Neutrinos"
(aus der Begründung des Nobelpreiskomitees)

Neutrinos sind geisterhafte Teilchen, die beim Beta-Zerfall radioaktiver Atome und bei der Kernfusion entstehen. Ursprünglich wurden sie 1931 von dem österreichischen Physiker Wolfgang Pauli theoretisch postuliert, um der Physik aus einer Krise zu helfen. Beim Beta-Zerfall eines Atomkerns wandelt sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um, wobei das Elektron mit hoher Geschwindigkeit davon fliegt. Erstaunlich war allerdings der Umstand, dass die Elektronengeschwindigkeiten für ein und dieselbe Atomsorte variabel zu sein schienen und somit der Energiesatz verletzt war, nachdem keine Energie verloren gehen kann. Auch schien der Drehimpulssatz nicht erfüllt zu sein, da sich die Summe der einzelnen Drehimpulse der Teilchen vor und nach dem Zerfall unterschied. Pauli schlug deshalb ein weiteres Teilchen vor, das bei dem Prozess entsteht, um die physikalischen Gesetze zu erfüllen. Er erhielt dafür 1945 den Nobelpreis. Der italienische Physiker Enrico Fermi taufte dieses Teilchen dann Neutrino, kleines Neutron.

Es dauerte dann aber noch über 25 Jahre, bis es dem Amerikaner Frederick Reines zusammen mit Clyde Cowan 1956 gelang die ersten Neutrinos nachzuweisen. Reines wurde dafür 1995 ebenfalls mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Neutrinos sind elektrisch neutral und unterliegen nur der schwachen Wechselwirkung, die für den Zerfall der Atomkerne wichtig ist. Für Neutrinos existiert Materie praktisch nicht. Die Sonne produziert pro Sekunde über 200 Billiarden Billiarden Billiarden Neutrinos. Obwohl davon pro Sekunde eine Billion durch unseren Körper strömen, merken wir davon überhaupt nichts. Selbst durch die Erde oder die Sonne fliegen sie hindurch, als wären sie nicht vorhanden. Ein Neutrino aus einer Billion wird auf seinem Flug durch die Erde von einem Atomkern verschluckt. Diese geringe Wechselwirkungswahrscheinlichkeit macht es so schwierig, sie zu beobachten.

In den zwanziger Jahren des vorigen Jahrhunderts erkannten Forscher, dass ein Heliumatom eine geringere Masse besitzt, als 4 Wasserstoffatome. Damit konnte ein weiteres Problem der Physik endlich gelöst werden. Schon im 19. Jahrhundert wurde heftig darüber diskutiert, woher die Sonne ihre Energie bezieht. Anfang des 20. Jahrhunderts wurde aus Messungen an radioaktiven Elementen in irdischen Gesteinen klar, dass die Erde und damit auch die Sonne schon sehr lange existieren mussten. Keiner der bis dahin bekannten Prozesse war in der Lage, ausreichende Energie über diesen langen Zeitraum für das Sonnenfeuer zur Verfügung zu stellen. Der englische Astrophysiker Sir Arthur Eddington erkannte schließlich, dass die Verschmelzung von vier Wasserstoffatomen zu einem Heliumatom das Energieproblem lösen könnte, wenn der Massenunterschied zwischen den Wasserstoffatomen und dem Helium nach Einsteins Formel E=Mc² in Energie umgewandelt wird. Dem deutschstämmigen Physiker Hans Albrecht Bethe gelang es schließlich 1939, die Details der Reaktion zu berechnen. Dabei werden in einem mehrstufigen Prozess für jedes Heliumatom auch zwei Neutrinos erzeugt. Bethe erhielt dafür 1967 den Nobelpreis.

Trotz der gewaltigen Messprobleme ging Raymond Davis Jr. in den späten Fünfzigern des 20. Jahrhundert daran, die Existenz der solaren Neutrinos nachzuweisen. Während die meisten Kernreaktionen der Sonnen nur Neutrinos erzeugen, die aufgrund ihrer niedrigen Energie nur sehr schwer nachzuweisen sind, gibt es eine seltene Reaktion, die ein hochenergetisches Neutrino erzeugt. Dieses Neutrino kann mit einem Chloratom reagieren und dabei ein Argonatom und ein Elektron erzeugen. Der Argonkern ist radioaktiv und besitzt eine Halbwertzeit von 50 Tagen.

Raymond Davis Jr. wählte für den Standort seines Detektors ein altes Goldbergwerk, die Homestake Mine in Lead, Süddakota, USA. Weil Neutrinos aber so selten reagieren, muss die Messapparatur vor der viel stärkeren Umgebungsstrahlung abgeschirmt werden, insbesondere vor der kosmischen Höhenstrahlung. Deshalb musste der Detektor 1460 Meter tief unter der Eroberfläche aufgebaut werden. Dafür konstruierte Davis im Jahr 1967 einen Flüssigkeitstank, der mit 680 Tonnen Perchlorethylen gefüllt war, einer Flüssigkeit die in chemischen Reinigungen verwendet wurde. Theoretisch sollten pro Monat 20 Argonatome entstehen. Davies besondere Leistung bestand darin, eine Methode zu entwickeln, diese 20 (!) Atome auch tatsächlich nachzuweisen; ein Unterfangen, das viel schwieriger ist, als ein bestimmtes Sandkorn in der Sahara zu finden. In 30 Jahren konnte er damit Reaktionen mit 2000 solaren Neutrinos nachweisen. Damit hatte er bewiesen, dass die Energie der Sonne durch die Fusion von Wasserstoff zu Helium entsteht. Aber er fand nur etwa ein Drittel der erwarteten Atome. Davis konnte beweisen, dass er keine Atome übersehen hatte. Spätere Experimente wie GALLEX und SAGE kamen zu gleichen Ergebnissen. Es sah so aus, als wäre die Theorie der Kernfusion in der Sonne falsch oder einige Neutrinos gingen auf dem Weg zur Erde verloren.

Damit war das solare Neutrinoproblem geboren. Unterschiedlichste Beobachtungen zeigten übereinstimmend, dass die Temperatur im Zentrum unserer Sonne etwas mehr als 15 Milliarden Grad betragen muss. Doch die beobachtete Neutrinorate passte nicht dazu. Sie war zu klein, was auf eine geringere Zentraltemperatur hinwies. Damit standen die Neutrinodaten von Davis aber im Widerspruch zu allen anderen Messungen.

Lesen Sie morgen: Masatoshi Koshiba, Super-Kamiokande und die Lösung des solaren Neutrino-Problems