Arthur McDonald: Die Neutrinos zählen, die niemand nachweisen konnte
Jedes solare Neutrinoexperiment vor Sudbury sah nur Elektron-Neutrinos - keines konnte also unterscheiden, ob Neutrinos verschwanden oder sich in etwas verwandelten, das der Detektor nicht sieht. Der Entwurf, den McDonald leitete, löste das, indem er beide Größen im selben Tank zur selben Zeit maß. Deshalb war das Ergebnis entscheidend und nicht bloß ein Hinweis.
Das Entwurfsproblem
Raymond Davis hatte 1968 ein Drittel der vorhergesagten solaren Neutrinos gefunden, und das Defizit stand drei Jahrzehnte unerklärt. Die Schwierigkeit war struktureller Natur: Chlor-, Gallium- und Wasser-Tscherenkow-Detektoren sprachen überwiegend auf Elektron-Neutrinos an - ein Defizit vertrug sich also gleichermaßen damit, dass die Neutrinos nie erzeugt wurden, und damit, dass sie sich in etwas verwandelt hatten, das der Detektor nicht registriert.
Beides zu unterscheiden verlangt, die Unsichtbaren mitzuzählen, was unmöglich klingt und es nicht ist. Gewöhnliches Wasser enthält Wasserstoff, dessen Kern ein einzelnes Proton ist. Schweres Wasser enthält Deuterium, ein Proton gebunden an ein Neutron, und dieses zusätzliche Neutron eröffnet eine zweite Reaktion - eine, die das Deuteron aufbricht und von allen drei Neutrinoarten gleichermaßen ausgelöst wird.
Ein Detektor mit schwerem Wasser liefert also zwei unabhängige Zählungen aus demselben Fluss zur selben Zeit: wie viele Elektron-Neutrinos ankamen und wie viele Neutrinos insgesamt. Der Vergleich zwischen beiden ist die Messung, und dafür braucht es keine Annahme über die Sonne.
Ein dritter Kanal, die elastische Streuung an Elektronen, liegt zwischen beiden und liefert eine Gegenprobe. Zusammen machen sie aus einer einzelnen mehrdeutigen Zahl einen in sich stimmigen Satz.
Der Bau
Das schwere Wasser wurde nicht gekauft. Tausend Tonnen davon, mehrere hundert Millionen kanadische Dollar wert, wurden aus der für Kernreaktoren gehaltenen Staatsreserve geliehen, sieben Jahre genutzt und zurückgegeben.
Es stand in einem durchsichtigen Acrylgefäß von zwölf Metern Durchmesser, aufgehängt in einer fassförmigen Kaverne mit 7.000 Tonnen gewöhnlichem Reinstwasser, überwacht von rund 9.600 Photovervielfachern, auf der 6.800-Fuß-Sohle einer aktiven Nickelmine bei Sudbury - rund 2.070 Meter Gestein darüber, tiefer als jeder vergleichbare Detektor seiner Zeit.
Die Kontaminationsdisziplin war extrem, denn eine Spur Uran oder Thorium im Acryl oder im Wasser erzeugt Neutronen, die von dem artblinden Signal, auf das sich das ganze Experiment stützte, nicht zu unterscheiden sind.
Die Kollaboration arbeitete in drei Phasen, jede mit einer anderen Methode zum Nachweis dieser Neutronen: schweres Wasser allein, dann mit gelöstem Salz für bessere Neutroneneinfangrate, dann mit eigens eingebauten Neutronendetektoren. Drei unabhängige Methoden, drei übereinstimmende Antworten - eine bewusste Entwurfsentscheidung und kein nachträglicher Einfall.
Das Ergebnis
Die 2001 veröffentlichte und 2002 bestätigte Rechnung war ungewöhnlich sauber. Der artblinde Kanal maß einen solaren Gesamtneutrinofluss, der eng zum Standard-Sonnenmodell passte. Der Kanal nur für Elektron-Neutrinos maß rund ein Drittel davon.
Die Neutrinos kamen alle an. Zwei Drittel hatten irgendwo zwischen Sonnenkern und Ontario schlicht aufgehört, Elektron-Neutrinos zu sein. Das Sonnenmodell stimmte, Davis' Chemie stimmte, und was fehlte, war die Oszillation - die voraussetzt, dass Neutrinos Masse haben.
Takaaki Kajita war drei Jahre zuvor aus einer anderen Richtung zum selben Schluss gekommen, über atmosphärische Neutrinos und die Strecke, die sie durch die Erde zurückgelegt hatten. Zwei Experimente, verschiedene Quellen, verschiedene Techniken, verschiedene systematische Fehler, eine Antwort.
Diese Übereinstimmung ist der Grund, warum die Schlussfolgerung rasch anerkannt und seither nicht ernsthaft angefochten wurde. Sie ist auch der Maßstab, den man mitnehmen sollte: Eine Messung wird zur Entdeckung, wenn ein unabhängiges Experiment, das ihr hätte widersprechen können, es nicht tut.
Seither
McDonald ist emeritierter Professor an der Queen's University in Kingston, Ontario. Aus dem Standort wurde SNOLAB, eine erweiterte Untertageanlage mit Suchen nach Dunkler Materie und anderen Experimenten, und SNO selbst wurde zu SNO+ umgebaut, indem das schwere Wasser durch Flüssigszintillator ersetzt wurde, um nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall zu suchen.
Die absolute Neutrinomasse ließ das Ergebnis offen, denn Oszillation misst Differenzen quadrierter Massen und nicht die Massen selbst. Diese Frage ging an Direktmessungen wie KATRIN über.
Was Sudbury klärte, war das dreißig Jahre alte solare Neutrinorätsel - und es klärte es auf eine Weise, die alle rehabilitierte: die Astrophysiker, die die Sonne modelliert hatten, den Chemiker, der die Argonatome zählte, und die Theoretiker, die die Oszillation Jahrzehnte zuvor vorgeschlagen und gewartet hatten.
Häufige Fragen
Was machte das Sudbury-Experiment anders?
Schweres Wasser. Das zusätzliche Neutron des Deuteriums erlaubt eine Reaktion, die auf alle drei Neutrinoarten gleich anspricht, neben einer eigenen nur für Elektron-Neutrinos. Ein Detektor konnte damit beides unabhängig zählen.
Woher kamen tausend Tonnen schweres Wasser?
Aus der kanadischen Staatsreserve für Kernreaktoren, mehrere hundert Millionen kanadische Dollar wert, sieben Jahre geliehen und zurückgegeben. Diese Menge zu kaufen war nicht realistisch.
Was zeigte das Ergebnis?
Dass der Gesamtfluss aller drei Neutrinoarten von der Sonne zum Standard-Sonnenmodell passte, während der Elektronanteil rund ein Drittel davon betrug. Die fehlenden Neutrinos hatten die Art gewechselt statt zu verschwinden.
Wie verhält es sich zu Kajitas Ergebnis?
Beide schlossen auf Oszillation. Kajita nutzte atmosphärische Neutrinos und die Flugstrecke, Sudbury solare Neutrinos und die Artzusammensetzung. Die Unabhängigkeit beider ist der Grund, warum die Schlussfolgerung Bestand hat; sie teilten sich den Nobelpreis 2015.
Was wurde aus dem Detektor?
Aus dem Standort wurde SNOLAB, ein erweitertes Untertagelabor. SNO selbst wurde zu SNO+ umgebaut, indem das schwere Wasser durch Flüssigszintillator ersetzt wurde, um nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall zu suchen.
