Experiment „Gerda“

Hundert Quadrilliarden Jahre Halbwertszeit

Von Ulf von Rauchhaupt
24.11.2010
, 06:00
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Unter dem höchsten Berg des Apennin suchen Teilchenphysiker nach einem extrem seltenen Kernzerfall. Derweil hoffen die Theoretiker inständig, dass es ihn gibt.
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Gran Sasso d'Italia. Zwischen Teramo und L'Aquila verschwindet die Autostrada 24 plötzlich im Berg. Über zehn Kilometer führt der Gran-Sasso-Tunnel unter den Dolomitmassen des Zentralapennin hindurch. Doch mitten im Gebirge zweigt eine Straße ab. Abbiegen darf man hier nur "con autorizzazione", und ohne Erlaubnis käme man nicht weit. Eine Wand aus spiegelndem Edelstahl riegelt den Seitentunnel ab. Sie öffnet sich nur, wenn die stets grimmig dreinblickenden Wachen es wollen.

Die großkalibrigen Waffen dürften die Herren aber eher aus Gründen nationaler Symbolik tragen. Die Laboratori Nazionali del Gran Sasso sind ein ziviles Forschungslabor. Die Tunnel hinter dem Stahltor, die sich an drei Stellen zu haushohen Hallen weiten, bergen 15 seltsame Apparaturen, die von außen mal Baubaracken, mal Hochregallagern, mal Treibstofftanks gleichen. Sie sind weder geheim noch gemeingefährlich, und zu stehlen gäbe es dort nur Dinge wie Telluroxid, flüssiges Xenon oder angereichertes Germanium-76. Radioaktiv im normalen Sinne ist nichts davon.

Im Gegenteil. Das Labor wurde tief im Fels angelegt, um sich die energiereichen Teilchen vom Leib zu halten, die ständig aus dem All auf die Erde einprasseln und die jene delikaten physikalischen Messungen stören würden, die man hier durchführt. Strahlende Stoffe sind da das Letzte, was man hier haben möchte. Viele der Aufbauten dienen dem Kampf gegen die natürliche Radioaktivität, vor allem des Urans und Thoriums, die in allen Werkstoffen enthalten sind.

Ein Atomkern besteht aus Neutronen und Protonen. Bei Beta-Zerfällen wandeln sich diese Kernbausteine ineinander um. Hier wird ein Neutron zu einem Proton, und es entstehen ein Antineutrino und ein Elektron. Legt man gleichzeitig ein Magnetfeld an, beschreibt das Elektron aufgrund seiner elektrischen Ladung eine Spiralbahn.
Ein Atomkern besteht aus Neutronen und Protonen. Bei Beta-Zerfällen wandeln sich diese Kernbausteine ineinander um. Hier wird ein Neutron zu einem Proton, und es entstehen ein Antineutrino und ein Elektron. Legt man gleichzeitig ein Magnetfeld an, beschreibt das Elektron aufgrund seiner elektrischen Ladung eine Spiralbahn. Bild: F.A.Z.

Variante des Beta-Zerfalls

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Auf die Spitze getrieben ist diese Radiophobie bei dem Experiment "Gerda" (Germanium Detector Array), das vorvergangene Woche feierlich eingeweiht wurde. Das Innere des neun Meter hohen Zylinders dürfte derzeit der strahlungsärmste Ort im Sonnensystem sein. In konzentrischen Tanks mit Wasser und flüssigem Argon und einer zusätzlichen Abschirmung aus hochreinem Kupfer hängt ein 18 Kilo schweres Bündel zylindrischer Germanium-Kristalle, die zu 86 Prozent aus dem in der Natur seltenen Isotop Germanium-76 bestehen. Sie sollen Strahlung messen - aber möglichst nur ihre eigene.

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Tatsächlich sind die Atomkerne von Germanium-76 nicht absolut stabil. Sie zerfallen allerdings mit einer Halbwertszeit von anderthalb Trilliarden Jahren. Der Prozess ist eine Variante des "Beta-Zerfalls" (siehe Grafiken) und deswegen so selten, weil sich dazu zufällig zwei Neutronen im Kern gleichzeitig zu Protonen umwandeln müssen, wobei dann zwei Elektronen und zwei Neutrinos frei werden - das sind leichte, ungeladene Elementarteilchen. Doch so selten solche "doppelten Beta-Zerfälle" sind, für den Gerda-Detektor sind es nur Dreckeffekte. Er sucht nach Prozessen, die noch zehn bis hundert Millionen Mal seltener sind: neutrinolose doppelte Beta-Zerfälle. Ihr Nachweis wäre kaum weniger bedeutend als der des berühmten Higg-Teilchens in dem großen Beschleuniger in Genf.

Allerdings ist die sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen nichts dagegen. "Wir suchen nach etwas, das in jedem Kilo Material einmal im Jahr passiert", sagt Béla Majorovits vom Max-Planck-Institut für Physik in München. Zwar lässt sich dieses eine Ereignis in Gerdas Germanium-Kristallen besonders gut von gewöhnlichen doppelten Beta-Zerfällen unterscheiden, da ohne Neutrinos die gesamte Zerfallsenergie von den Elektronen davongetragen wird. Dennoch gilt es, diese aus einem wahren Gewitter von Störstrahlung herauszufischen.

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Pingeliger Strahlenschutz

Sie stammt nicht nur vom Uran und seinen Spießgesellen, sondern auch von kosmischer Reststrahlung, vor allem in Form sogenannter Myonen. Eins von einer Millionen dringt auch durch 1400 Meter Dolomit. "Dadurch haben wir hier unten immer noch ein Myon pro Quadratmeter und Stunde", sagt der Projektsprecher Stefan Schönert vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. "Und das ist noch immer ein Problem." Immerhin verraten die Myonen ihre Anwesenheit, indem sie in Gerdas Wassertank messbare Lichtblitze auslösen. Regt sich im selben Moment etwas im Germanium, können die Physiker davon ausgehen, dass es falscher Alarm war.

Der Aufwand für diese Überwachung, für die Germanium-Kristalle und den pingeligen Strahlenschutz ist erheblich. Finanziell - Gerda hat neun Millionen Euro gekostet -, aber auch technologisch. Daher haben sich dafür 15 europäische Institute zusammengetan. Neben den Max-Planck-Instituten München und Heidelberg sind aus Deutschland die TU Dresden und die Universität Tübingen dabei. Sie alle suchen etwas, von dem gar nicht sicher ist, ob es existiert. Neutrinolose doppelte Beta-Zerfälle sind bislang nur eine theoretische Möglichkeit. Und es gibt sie nur, wenn Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind.

Lange galt es als ausgemacht, dass sie das nicht sind. Zwar tragen Neutrinos keine elektrischen Ladungen, durch die man sie von ihren Antiteilchen unterscheiden könnte wie etwa die negativen Elektronen von den positiven Antielektronen. Doch stellte man schon bei der Entdeckung der Neutrinos 1956 fest, dass es zwei Sorten gibt, die sich in anderer Hinsicht wie Teilchen und Antiteilchen verhalten. Sie rotieren entgegengesetzt. Nun ist "Rotation" bei Quantenteilchen nur eine Metapher für den sogenannten "Spin", eine Eigenschaft der mathematischen Objekte, mit denen man Elementarteilchen beschreibt. Anders als mechanische Rotationen treten quantenmechanische Spins nur in Portionen der Größe einhalb auf (also 0, ½, 1, 3/2 . . .). Dabei nennt man Teilchen mit halbzahligen Spins, also etwa Elektronen oder Neutrinos, Fermionen - zu Ehren des italienischen Physikers Enrico Fermi. Trotzdem lässt sich analog zum Drehsinn der Erde sagen: Neutrinos fliegen stets mit ihrem Südpol voran, Antineutrinos mit dem Nordpol.

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Sind Neutrinos „“Majorana-Fermionen“?

Nun dachte man, Neutrinos seien so masselos wie Licht und könnten sich daher nach Einsteins Relativitätstheorie nur mit exakt Lichtgeschwindigkeit bewegen. Dann aber könnten sie auch ihre Flugrichtung relativ zur Rotation nie umkehren, denn dazu müssten sie quasi kurz anhalten, wie ein Auto beim Wenden. Somit bestünde keine Chance, aus einem Neutrino ein Antineutrino zu machen. Die beiden wären grundsätzlich verschieden.

Doch spätestens 1998 war aus neuen Messungen klar, dass Neutrinos eine Masse haben. Damit könnten sie trotz ihres Spins ihre eigenen Antiteilchen sein. Sie wären "Majorana-Fermionen", benannt nach dem jungen Italiener Ettore Majorana, der in einer 1937 publizierten Arbeit entdeckte, dass die Existenz solcher Teilchen weder den Prinzipien der Quantenmechanik noch denen der Relativitätstheorie zuwiderläuft.

Das war eine überaus profunde Einsicht. Überhaupt war Majorana nach Einschätzung Fermis einer der genialsten theoretischen Physiker seiner Zeit. Allerdings war er auch ein verschlossener Mensch, und im März 1938 verschwand er spurlos. Was mit ihm geschah, darüber gibt es etliche Theorien, von der Entführung durch die Nazis bis zum Selbstmord. Möglicherweise hat der sehr fromme Physiker auch der Welt entsagt und ist in einem Kloster untergetaucht.

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Nach Ansicht des Nobelpreisträgers Frank Wilczek wäre die moderne Physik rascher vorangekommen, wäre Majorana ihr erhalten geblieben. Das legten jedenfalls seine Aufzeichnungen nahe. Besonders Majoranas Arbeit von 1937 hat in letzter Zeit an Bedeutung gewonnen, obgleich bislang kein einziges Majorana-Fermion als solches identifiziert wurde. Zwar kennt man Teilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind, etwa die Photonen, aus denen elektromagnetische Strahlung besteht. Doch das sind sogenannte Bosonen, das heißt, ihr Spin ist entweder null oder ganzzahlig. Es gibt aber gute Gründe, warum viele theoretische Physiker sich sehnlich wünschen, die Neutrinos mögen sich als Majorana-Teilchen erweisen.

Supersymmetrie und ihre Folgen

Da wären erstens die Ansätze zu einer großen vereinigten Quantentheorie. "Wir bekommen dort einfachere und viel hübschere Gleichungen, wenn wir die Antineutrinos nicht als etwas Eigenes berücksichtigen müssen", schrieb Frank Wilczek im vergangenen Jahr in Nature Physics. Ein weiterer Grund für die Popularität der Majorana-Fermionen ist die sogenannte Supersymmetrie, kurz Susy. Das ist eine hypothetische Eigenschaft der Natur, ohne die alle Versuche, Gravitation und Quantentheorie im Rahmen sogenannter Stringtheorien zu versöhnen, gelinde gesagt sehr schwierig würden. Ist die Natur aber supersymmetrisch, dann gibt es zu jedem Fermion ein viel massiveres Boson mit ansonsten gleichen Eigenschaften. Und umgekehrt gäbe es zu jedem Boson ein Susy-Fermion, also auch eines zum neutralen Photon. Dessen neutraler, fermionischer Susy-Partner wäre folglich ein Majorana-Teilchen. Wer an Susy glaubt, muss auch an Majorana glauben.

Schließlich sind Majorana-Fermionen eine Hauptzutat zu modernen Versuchen, hinter die Frage zu kommen, warum beim Urknall offenbar mehr Materie als Antimaterie entstand - wäre beides in gleichen Mengen entstanden, hätte sich danach alles wieder restlos vernichtet. Das segensreiche Ungleichgewicht ließe sich erklären, wenn die Naturgesetze kurz nach dem Urknall die Existenz eines neutrinoartigen Majorana-Teilchens erlaubten, das so schwer ist wie Milliarden Atomkerne. Dieses könnte ausreichend asymmetrisch in Teilchen und Antiteilchen zerfallen sein und so letztlich dafür gesorgt haben, dass es uns gibt.

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Beitrag aus der Antike

Kein Wunder also, dass viele Physiker heute davon ausgehen, dass Neutrinos Majorana-Teilchen sind und Germanium-76 daher tatsächlich mit einer Halbwertszeit von um die 100 Quadrilliaden Jahren zerfällt. Aber kollektive Überzeugung ist noch keine wissenschaftliche Erkenntnis, warnt Manfred Lindner vom Heidelberger Max-Planck-Institut, der Cheftheoretiker der Gerda-Kollaboration. "Seit ich in diesem Geschäft bin, waren alle solche Mehrheitsüberzeugungen am Ende falsch." Der Glaube, Neutrinos seien masselos, sei da nur ein Beispiel.

Am Ende hat auch Ettore Majoranas Geniestreich nur etwas mit unserer materiellen Welt zu tun, wenn der Effekt gemessen wird - und nicht nur in Gerdas Germanium. Unter dem Gran Sasso sind noch zwei weitere Detektoren für neutrinolose doppelte Beta-Zerfälle in Vorbereitung. "Cobra" sucht danach in Cadmium-, "Cuore" in Tellurkernen. Die Physiker von "Cuore" haben sich unlängst neun Tonnen Bleibarren gesichert, um daraus eine Abschirmung gegen Strahlen zu machen. Das Blei stammt aus dem Wrack eines römischen Frachtschiffes, das im ersten Jahrhundert vor Christus vor Sardinien sank.

Dank der antiken Metallurgen und der langen Lagerung am Meeresgrund enthält es viel weniger Radioaktivität als modern verhüttetes Blei. Damit sie bis zur Verarbeitung durch kosmische Strahlung nicht wieder neue Radioaktivität aufbauen, liegen die kalkverkrusteten Barren mit den lateinischen Firmenstempeln in einem kleinen Verschlag in einem der Verbindungstunnel des Gran-Sasso-Labors. Es ist ein einmaliger Schatz. Vielleicht ist er der Grund für die argwöhnischen Blicke der bewaffneten Herren am Edelstahltor.

Quelle: F.A.S.
Autorenporträt / Rauchhaupt, Ulf von (UvR)
Ulf von Rauchhaupt
Redakteur im Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.
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