Masatoshi Koshiba: Elf Neutrinos in dreizehn Sekunden
Kamiokande wurde nicht gebaut, um Supernovae zu beobachten. Es wurde gebaut, um zerfallende Protonen zu beobachten - eine Vorhersage großer vereinheitlichter Theorien, die bis heute nie eingetreten ist. Koshibas Leistung war die Einsicht, dass derselbe Wassertank mit besserer Elektronik auch Neutrinos bei um ein Mehrfaches niedrigerer Energie registrieren kann - und diesen Umbau zwei Monate vor der einzigen nahen Supernova seit vier Jahrhunderten abzuschließen.
Ein Detektor, gebaut für etwas anderes
Ende der 1970er-Jahre sagten mehrere große vereinheitlichte Theorien vorher, dass das Proton nicht vollkommen stabil ist. Träfe das zu, müsste eine ausreichend große, lange genug beobachtete Materiemenge einen Zerfall zeigen. Kamiokande wurde in der Kamioka-Mine in Japan genau dafür gebaut, und sein Name war ein Kürzel für Nukleonenzerfallsexperiment.
Protonenzerfall wurde nicht gesehen, damals nicht und seither nicht, und die Grenzen sind nur schärfer geworden. Als Suche nach dem eigentlichen Ziel scheiterte das Experiment - das gehört klar gesagt, denn dasselbe Instrument lieferte danach zwei Ergebnisse, die mehr wogen.
Koshiba erkannte, dass sich ein Wasser-Tscherenkow-Detektor umwidmen lässt. Protonenzerfall erzeugt ein großes, unverkennbares Ereignis; Neutrinos von der Sonne oder einer Supernova erzeugen weit kleinere. Diese zu sehen verlangte, die Energieschwelle zu senken - also bessere Photovervielfacher, bessere Elektronik und eine weit strengere Kontrolle des radioaktiven Untergrunds.
Dieser Umbau, Kamiokande-II, war im Dezember 1986 abgeschlossen.
23. Februar 1987
Ein blauer Überriese in der Großen Magellanschen Wolke, rund 168.000 Lichtjahre entfernt, kollabierte und explodierte. Das Licht brauchte Stunden, um aus den äußeren Schichten des Sterns hervorzutreten. Die im kollabierenden Kern erzeugten Neutrinos verließen ihn sofort und trafen zuerst ein.
Kamiokande-II zeichnete elf Neutrinoereignisse innerhalb von rund dreizehn Sekunden auf. Der IMB-Detektor in Ohio zeichnete acht auf, das Baksan-Observatorium in der Sowjetunion fünf. Drei unabhängige Detektoren auf zwei Kontinenten sahen denselben Ausbruch innerhalb von Sekunden - das machte ihn unbestreitbar.
Vierundzwanzig Ereignisse sind wenig, und sie bestätigten sehr viel. Die Theorie sagte vorher, dass eine Kernkollaps-Supernova den weit überwiegenden Teil ihrer Energie als Neutrinos abgibt und nicht als Licht, dass der Ausbruch Sekunden dauert und dass er der sichtbaren Explosion vorausgeht. Alle drei wurden auf einen Schlag bestätigt.
Es war zugleich die Geburt der Neutrinoastronomie im wörtlichen Sinn: der erste Nachweis von Neutrinos aus einem identifizierten astronomischen Objekt außerhalb des Sonnensystems. Alles, was IceCube tut, geht auf den Nachweis zurück, dass das möglich ist.
Was folgte
Kamiokande bestätigte anschließend das solare Neutrinodefizit, das Raymond Davis berichtet hatte - mit völlig anderer Technik und mit Richtungsinformation, die zeigte, dass die Neutrinos von der Sonne kamen. Dass zwei unabhängige Methoden denselben Fehlbetrag fanden, machte es weit schwerer, eines der Experimente verantwortlich zu machen.
Der Nachfolger Super-Kamiokande entstand am selben Standort mit etwa zwanzigfacher Masse und nahm 1996 den Betrieb auf. Zwei Jahre später lieferte er das Oszillationsergebnis von 1998.
Koshiba teilte sich den Physik-Nobelpreis 2002 mit Davis und mit Riccardo Giacconi für Röntgenastronomie. Er blieb an der Universität Tokio und starb 2020 im Alter von 94 Jahren.
In dieser Abfolge steckt eine schlichte Lehre. Ein für einen Zweck gebautes Experiment, das an diesem Zweck scheiterte, lieferte eine Supernova-Beobachtung und eine Bestätigung der solaren Neutrinos, weil jemand erkannte, was die Apparatur sonst noch kann. Instrumente sind allgemeiner als die Anträge, die sie finanzieren.
Häufige Fragen
Wofür war Kamiokande ursprünglich gedacht?
Für die Suche nach Protonenzerfall, den große vereinheitlichte Theorien vorhersagen. Protonenzerfall wurde nie beobachtet, damals nicht und seither nicht. Koshiba leitete einen Umbau, der die Energieschwelle senkte, sodass derselbe Tank Neutrinos nachweisen konnte.
Wie viele Neutrinos wurden von der Supernova 1987A nachgewiesen?
Kamiokande-II zeichnete elf in rund dreizehn Sekunden auf. Der IMB-Detektor zeichnete acht auf und Baksan fünf - vierundzwanzig Ereignisse an drei unabhängigen Detektoren innerhalb von Sekunden.
Warum zählt eine so kleine Zahl?
Weil sie drei Vorhersagen auf einmal bestätigte: dass eine Kernkollaps-Supernova den größten Teil ihrer Energie als Neutrinos abgibt und nicht als Licht, dass der Ausbruch Sekunden dauert und dass er vor der sichtbaren Explosion eintrifft.
Wie knapp war das zeitlich?
Der Umbau, der den Nachweis möglich machte, war im Dezember 1986 abgeschlossen. Die Supernova wurde am 23. Februar 1987 beobachtet, rund zwei Monate später.
Wofür bekam er den Nobelpreis?
Für wegweisende Beiträge zur Astrophysik, insbesondere den Nachweis kosmischer Neutrinos. Er teilte sich den Preis 2002 mit Raymond Davis jr. und Riccardo Giacconi.
