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: Masatoshi Koshiba
 

Masatoshi Koshiba. Foto: ICEPP, University of Tokyo

Masatoshi Koshiba wurde am 19. September 1926 in Toyohashi, Aichi, Japan geboren. Er studierte an der Universität Tokio. 1955 promovierte er im Alter von 29 Jahren an der Universität Rochester mit einer Arbeit über kosmische Strahlen. Die kosmische Strahlung besteht aus energiereichen Photonen und Atomkernen, die aus den Tiefen des Weltraums kommen. Beim Auftreffen auf die Erdatmosphäre reagieren sie mit den dort vorhandenen Atomkernen und erzeugen eine Kaskade kurzlebiger Sekundärteilchen, die teilweise fast mit Lichtgeschwindigkeit weiter fliegen. Damit konnte schon früher der von Einstein in der speziellen Relativitätstheorie vorher gesagte Effekt der Zeitdilatation bestätigt werden. Danach verläuft für ein Teilchen, das sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, die Zeit langsamer. Für einen ruhenden Beobachter existiert es damit länger, als es nach der klassischen Physik dürfte.

Seit damals konzentrierte sich Koshiba in seinen Arbeiten auf die Erforschung des Universums und der Suche nach den kleinsten Teilchen. Er erbaute dazu den Kamiokande-Detektor und dessen Nachfolger. 1987 und von 1998 bis 1999 arbeitete er in Hamburg, Garching und Heidelberg. Neben zahlreichen wissenschaftlichen Auszeichnungen und Ehrungen erhielt er auch das Grosse Verdienstkreuz der Bundesrepublik Deutschland. Nach eigenem bekunden, hatte er seit 15 Jahren auf den Nobelpreis gehofft.

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

Viele Jahre lang beschäftigte Physiker das so genannte solare Neutrinoproblem, das im darin bestand, dass die in Neutrinodetektoren gemessene Neutrinorate nicht zu der aus den Theorien über die Energieerzeugung in der Sonne erwarteten Anzahl von Neutrinos passte (siehe Beitrag über Raymond Davis Jr.). Waren also die bisherigen Messungen falsch oder ungenau?

1982 begann der japanische Physiker Masatoshi Koshiba den Kamiokande-Detektor in der Mozumi-Mine der Kamioka Mining and Smelting Co. in Kamioka-cho, Gifu, Japan, aufzubauen. Der Detektor bestand aus einem Tank mit 3000 Liter ultrareinem Wasser, an dessen Innenwänden etwa 1000 lichtempfindliche Photomultiplier angebracht waren. Diese Lichtsensoren sollten das schwache blaue Leuchten der Tscherenkov-Strahlung auffangen, die entsteht, wenn Elektronen mit einer Geschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit fliegen. In Wasser bewegt sich Licht langsamer als im Vakuum des Weltalls. Das eigentliche Ziel Koshibas war die Suche nach dem theoretisch vorher gesagten extrem seltenen Zerfall eines Protons und damit die Bestimmung der Stabilität der Materie. Aber 1985 wurde der Detektor umgebaut und seine Empfindlichkeit erhöht, um auch kosmische Neutrinos zu untersuchen.

Am 23. Februar 1987 wurden damit dann elf Neutrinos registriert, die bei der Supernovaexplosion SN1987 in der 170.000 Lichtjahre entfernten Grossen Magellanschen Wolke entstanden waren. Diese Explosion war das Ergebnis des Zusammenbruchs eines Sterns mit dem zwanzigfachen Masse der Sonne zu einem Neutronenstern mit einem Durchmesser von etwa 20 Kilometer. Innerhalb von 20 Sekunden wurde die tausendfache Energie, die die Sonne in 4,5 Milliarden bisher erzeugte, in Form von 10⁵⁶ (eine 1 mit 56 Nullen) Neutrinos freigesetzt. Diese Messung lieferten eine obere Grenze für die Neutrinomasse von 24 Elektronenvolt (eV) und gab den Anstoß zu intensiven Forschungen auf dem Gebiet der Supernovae und extrem verdichteter Kernmaterie.

Die japanischen Messungen bestätigten ebenfalls die Ergebnisse von Davis. Aufgrund der Konstruktion konnten die japanischen Forscher auch den Zeitpunkt einer Reaktion und die Richtung der Neutrinos bestimmen. Damit wurde erstmals bewiesen, dass die Neutrinos von der Sonne kommen.

Koshiba konstruierte schließlich den Super-Kamiokande-Detektor, der 1996 mit den Messungen begann. Super-Kamiokande enthält 50 000 Tonnen Wasser und über 10.000 Lichtdetektoren. Seine wesentlich verbesserte Empfindlichkeit führte 2001 dazu, Anzeichen für ein neues Phänomen zu finden, der Neutrino-Oszillation. Die Physiker kannten bis dahin drei unterschiedliche Neutrinoarten, das Elektron-, das Tau- und das Myon-Neutrino und ihre Antiteilchen, die alle elektrisch neutral sind und masselos sein sollten. In der Sonne entstehen nur Elektronneutrinos, während die beiden anderen Arten auch bei Kernreaktionen in Beschleunigern auftreten. Neutrino-Oszillationen bedeuten aber, dass sich Neutrinos ständig von einer Art in eine der anderen umwandeln. Allerdings müssen Neutrinos dann eine Masse besitzen. Das heißt aber auch, dass das Standardmodell der Elementarteilchen geändert werden muss, in dem das Neutrino masselos ist.

Damit ist auch eine Erklärung für das solare Neutrinoproblem möglich. Wenn auf dem Weg zur Erde ein Teil der Elektron-Neutrinos sich in Tau- oder Myon-Neutrinos umwandelt, für die die Detektoren unempfindlich sind, werden zu wenige solare Neutrinos gemessen.

Vor einigen Wochen wurden vom Sudbury Neutrino-Observatorium in Kanada Ergebnisse veröffentlicht, nach denen es sehr wahrscheinlich ist, dass in der Sonne tatsächlich die theoretisch erwarte Anzahl Neutrinos entsteht. Bei diesem Experiment wurde erstmals ein Verfahren benutzt, das anstelle von leichtem Wasserstoff das doppelt so schwere Wasserstoffisotop Deuterium enthält. Dieser Detektor ist auch für Tau- und Myon-Neutrinos empfindlich. Wenn diese Ergebnisse von anderen Forschergruppen bestätigt werden, ist die Lösung für das solare Neutrinoproblem gefunden.

Die Resultate, Methoden und technischen Verfahren von Davis und Koshiba bildeten somit den Grundstein für das völlig neue Forschungsfeld der Neutrinoastronomie, das von großer Bedeutung für die Physik der Elementarteilchen, Astrophysik und Kosmologie ist.

Lesen Sie morgen: Riccardo Giacconi, der Vater der Röntgenastronomie