Ettore Majorana: Eine Frage, die noch auf ihre Antwort wartet
An die meisten Physiker erinnert man sich für das, was sie beantwortet haben. An Majorana erinnert man sich für eine Frage - und dafür, dass er nicht mehr da war, als jemand versuchte, sie zu beantworten. Er veröffentlichte sehr wenig, verschwand mit einunddreißig und hinterließ ein Stück Mathematik, das siebenundachtzig Jahre später die möglichen Universen noch immer in zwei teilt: eines, in dem das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist, und eines, in dem es das nicht ist.
Die Physik
Paul Diracs Gleichung von 1928 sagte vorher, dass jedes Fermion ein Antiteilchen gleicher Masse und entgegengesetzter Ladung hat. Das Positron wurde vier Jahre später gefunden, und der Rahmen hat seither für jedes geladene Fermion Bestand.
Majorana bemerkte, dass die Mathematik etwas anderes zulässt, wenn das Teilchen keine Ladung hat, die sich umkehren ließe. Dann können Teilchen und Antiteilchen dasselbe Objekt sein. Seine Arbeit von 1937 führte das als symmetrische Theorie von Elektron und Positron aus, und die entstehenden Objekte heißen heute Majorana-Fermionen.
Damals war das eine formale Kuriosität, denn ein passendes Teilchen war nicht bekannt. Das Neutrino war noch eine Hypothese und sollte erst neunzehn Jahre später nachgewiesen werden. Heute ist es der einzige Kandidat unter den bekannten Fermionen: Quarks tragen elektrische und Farbladung, geladene Leptonen elektrische Ladung, und allein das Neutrino trägt keine von beiden.
Die Unterscheidung ist nicht akademisch. Ist das Neutrino ein Majorana-Teilchen, ist die Leptonenzahl nicht erhalten, der Seesaw-Mechanismus wird als Erklärung für die geringen Neutrinomassen verfügbar, und die Leptogenese wird zu einer tragfähigen Erklärung dafür, warum das Universum Materie enthält. Ist es das nicht, schließen sich alle drei Linien.
Der Mensch
Majorana wurde 1906 in Catania geboren und stieß in Rom zu Enrico Fermis Gruppe, dem später als Via-Panisperna-Jungen bekannten Kreis. Fermis Urteil über ihn wird oft zitiert und lohnt die Wiederholung: Es gebe verschiedene Kategorien von Wissenschaftlern, Leute zweiten oder dritten Ranges, die ihr Bestes geben und nicht sehr weit kommen; es gebe erstklassige Leute, die Entdeckungen von großer Bedeutung machen; und dann gebe es Genies wie Galilei und Newton. Majorana, sagte er, sei eines von diesen gewesen.
Er veröffentlichte fast nichts. 1932 arbeitete er ein Kernmodell aus Protonen und Neutronen aus, bevor James Chadwick die Entdeckung des Neutrons bekanntgab - und veröffentlichte es nicht. Kollegen beschreiben, wie er Ergebnisse herleitete und dann das Interesse verlor, sie aufzuschreiben.
1937 erhielt er ohne das übliche Berufungsverfahren einen Lehrstuhl für theoretische Physik in Neapel, allein aufgrund seines Rufs. Er war seit mehreren Jahren gesundheitlich angeschlagen und weitgehend zurückgezogen.
Die Arbeit von 1937 über die symmetrische Theorie war seine letzte Veröffentlichung.
Das Verschwinden
Am 25. März 1938 hob Majorana seine Ersparnisse ab und bestieg ein Schiff von Neapel nach Palermo. Er schickte dem Direktor des Neapolitaner Instituts einen Brief, in dem er sich für sein Vorhaben entschuldigte, danach ein Telegramm und einen zweiten Brief mit der Bitte, den ersten nicht zu beachten. Es ist verzeichnet, dass er in der Nacht vom 25. auf den 26. März das Rückschiff von Palermo nach Neapel bestieg. Danach wurde er nie wieder mit Sicherheit gesehen.
Eine Leiche wurde nicht gefunden. Die Haupthypothesen lauten Suizid, Rückzug in ein Kloster und Auswanderung unter anderer Identität, und keine wurde je belegt. Italienische Staatsanwälte nahmen den Fall wieder auf und schlossen ihn 2015 mit dem Schluss, er sei zwischen 1955 und 1959 vermutlich in Venezuela am Leben gewesen, gestützt auf eine Zeugenaussage und ein Foto. Das ist eine amtliche Schlussfolgerung, kein Beweis, und sie wird nicht allgemein geteilt.
Man sollte dem Sog der Geschichte hier widerstehen. Das Verschwinden ist wirklich ungeklärt, die Belege sind in jede Richtung dünn, und die ehrliche Position lautet: Niemand weiß es. Die Versuchung, die interessanteste Erklärung zu bevorzugen, ist genau die Versuchung, die diese Seiten an anderer Stelle zu vermeiden suchen.
Unbestritten ist die Physik, die er hinterließ. Sie wurde jahrzehntelang weitgehend übergangen, weil es kein Teilchen gab, auf das man sie hätte anwenden können, und keine Möglichkeit, sie zu prüfen.
Die Frage heute
Der praktische Test ist der neutrinolose Doppelbetazerfall. Ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen, wird ein seltener Kernprozess möglich, bei dem zwei Neutronen in zwei Protonen übergehen und zwei Elektronen aussenden, aber überhaupt kein Neutrino. Mehrere große Experimente suchen seit Jahrzehnten danach, mit verschiedenen Isotopen, damit kein einzelner systematischer Fehler ein Scheinsignal erzeugen kann.
Gefunden wurde nichts. Die Grenzen für die Halbwertszeit liegen inzwischen über 10^26 Jahren, was die Möglichkeiten einschränkt, ohne sie zu klären: Ein Nullresultat verträgt sich damit, dass das Neutrino ein Dirac-Teilchen ist, und ebenso damit, dass es Majorana ist, falls sich die Massenbeiträge zufällig aufheben.
Die Frage steht also dort, wo Majorana sie ließ - geschärft durch siebenundachtzig Jahre Theorie und durch Detektoren, die er sich nicht hätte vorstellen können. Sie gehört zu den wenigen wirklich fundamentalen Fragen, die ein derzeit laufendes Experiment beantworten könnte.
In dieser Form steckt eine Lehre. Eine gute Frage kann den, der sie gestellt hat, um ein Jahrhundert überleben, und unbeantwortet ist nicht dasselbe wie unbeantwortbar - die Unterscheidung, die unsere Seite zur Leptogenese in anderem Zusammenhang zieht.
Häufige Fragen
Was ist ein Majorana-Teilchen?
Ein Fermion, das mit seinem eigenen Antiteilchen identisch ist. Nur ein elektrisch neutrales Teilchen kann eines sein - das macht das Neutrino zum einzigen Kandidaten unter den bekannten Fermionen.
Was geschah mit Ettore Majorana?
Er verschwand in der Nacht vom 25. auf den 26. März 1938 auf einer Schiffsreise zwischen Palermo und Neapel. Eine Leiche wurde nie gefunden. Suizid, Rückzug in ein Kloster und Auswanderung wurden alle vorgeschlagen, keines wurde belegt.
Hat die Untersuchung von 2015 den Fall gelöst?
Nein. Italienische Staatsanwälte schlossen den Fall mit dem Schluss, er sei zwischen 1955 und 1959 vermutlich in Venezuela am Leben gewesen, gestützt auf Zeugenaussage und Foto. Das ist eine amtliche Hypothese und kein Beweis, und sie wird nicht allgemein geteilt.
Warum zählt die Majorana-Frage noch?
Weil die Antwort bestimmt, ob die Leptonenzahl erhalten ist, ob der Seesaw-Mechanismus die geringen Neutrinomassen erklären kann und ob die Leptogenese erklären kann, warum das Universum Materie enthält.
Wie ließe sie sich klären?
Über den neutrinolosen Doppelbetazerfall, der nur möglich ist, wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Experimente suchen seit Jahrzehnten ohne Nachweis, und die heutigen Grenzen liegen über Halbwertszeiten von 10^26 Jahren.
