Raymond Davis jr.: Der Chemiker, der Atome einzeln zählte
Die Geschichte von Homestake wird oft als Triumph erzählt, und das war sie. Nützlicher ist sie so erzählt, wie sie sich angefühlt haben muss: ein Chemiker, der ein Experiment durchführt, das niemand sonst nachprüfen kann, eine Zahl liefert, die niemand glaubt, und ein Vierteljahrhundert weitermacht, während das Fachgebiet darauf wartet, dass er seinen Fehler findet. Er fand nie einen, weil es keinen gab.
Die absurde Handfestigkeit der Methode
Bruno Pontecorvo hatte 1946 vorgeschlagen, dass ein Neutrino, das auf Chlor-37 trifft, dieses in Argon-37 verwandelt - und dass Argon als Edelgas aus der Flüssigkeit gespült und gezählt werden kann. Davis, Chemiker in Brookhaven und kein Physiker, nahm den Vorschlag wörtlich.
Als Arbeitsflüssigkeit diente Perchlorethylen, also Reinigungsflüssigkeit, gewählt weil sie billig, chlorreich und tankwagenweise erhältlich ist. Er füllte 380.000 Liter davon, rund 615 Tonnen, in einen Tank auf der 4.850-Fuß-Sohle der Homestake-Goldmine in South Dakota. Die Tiefe war nötig: Fast 1.500 Meter Gestein entfernen den Untergrund aus kosmischer Strahlung, der sonst alles überdecken würde.
Das erwartete Signal betrug etwa ein erzeugtes Argon-37-Atom pro Tag im gesamten Tank. Alle paar Wochen spülte er den Tank mit Helium, trug das angesammelte Argon aus und zählte dessen radioaktive Zerfälle in einem Proportionalzähler, klein genug für eine Hand.
Es lohnt innezuhalten, was das verlangt. Rund fünfzehn bestimmte Atome aus 615 Tonnen Flüssigkeit zu holen und sicher zu sein, dass man die meisten erwischt hat und dass es die richtigen sind, ist ein chemisches Problem von einer Härte, für die es wenige Vergleiche gibt. Davis kalibrierte es, indem er eine bekannte Zahl Argonatome zugab und maß, wie viele zurückkamen.
Die Zahl, die nicht verschwand
Von den ersten Ergebnissen 1968 an lag die Zählung bei etwa einem Drittel dessen, was das Standard-Sonnenmodell vorhersagte. Nicht null, was auf ein Versagen der Methode gedeutet hätte. Nicht der vorhergesagte Wert. Ein stabiles, reproduzierbares Drittel.
Es gab zwei naheliegende Erklärungen, und beide wiesen von allem Interessanten weg. Entweder war Davis' Ausbeute schlechter, als er glaubte, oder John Bahcalls Sonnenmodell überschätzte die Neutrinoproduktion. Fast alle nahmen eines von beidem an, und lange konnte niemand eines davon ausschließen.
Also lief Davis weiter, fünfundzwanzig Jahre lang, verbesserte Kalibrierungen und sammelte Statistik. Bahcall verfeinerte das Sonnenmodell, und es sagte weiterhin denselben Fluss vorher. Die Diskrepanz schrumpfte nicht. Sie verhärtete sich.
Das wurde als solares Neutrinorätsel bekannt, und es ist eines der besseren Beispiele der modernen Physik für eine Anomalie, die weder wegerklärt noch vorschnell geglaubt wurde. Das Fachgebiet hielt sie drei Jahrzehnte offen - die richtige Reaktion auf ein Ergebnis, das man weder erklären noch abtun kann.
Die Auflösung
Davis' Detektor war ausschließlich für Elektron-Neutrinos empfindlich. Das war die ganze Zeit bekannt und war das Schlupfloch - nur konnte es niemand bestätigen ohne einen Detektor, der auch die anderen Arten sieht.
Super-Kamiokande zeigte 1998, dass Neutrinos im Flug ihre Art wechseln. Das Sudbury Neutrino Observatory maß danach sowohl den Fluss der Elektron-Neutrinos als auch den Gesamtfluss aller drei Arten von der Sonne und fand, dass die Summe zu Bahcalls Modell passte, während der Elektronanteil rund ein Drittel davon ausmachte.
Davis hatte die ganze Zeit richtig gemessen. Zwei Drittel der solaren Neutrinos kamen als Arten an, die sein Chlor nicht sehen konnte. Das Sonnenmodell stimmte, das Experiment stimmte, und was fehlte, war die Oszillation - die voraussetzte, dass Neutrinos Masse haben, was das Standardmodell bestritten hatte.
Den Physik-Nobelpreis erhielt er 2002 im Alter von 88 Jahren, gemeinsam mit Masatoshi Koshiba und Riccardo Giacconi. Er starb 2006. Bahcall, dessen Modell zusammen mit der Messung angezweifelt worden war, erhielt keinen; er starb 2005.
Warum die Geschichte es wert ist
Die naheliegende Lesart ist belohnte Beharrlichkeit, und das stimmt, greift aber zu kurz. Nützlicher ist die Lesart darüber, was das Fachgebiet mit einem Ergebnis anfing, das es nicht annehmen konnte.
Niemand unterdrückte Davis' Zahl, und niemand übernahm sie. Sie wurde veröffentlicht, wiederholt, geprüft und dreißig Jahre lang als offenes Problem stehen gelassen, während an der Chemie und am Sonnenmodell gearbeitet wurde. Die Auflösung kam von einem unabhängigen Experiment mit völlig anderer Technik - die einzige Art Auflösung, die etwas klärt.
Es zählt auch, dass Davis das Experiment weiterlaufen ließ, statt das Ergebnis rhetorisch zu verteidigen. Die Auseinandersetzung wurde durch fünfundzwanzig Jahre Daten gewonnen und nicht durch Beharren - und als die Antwort kam, bestätigte sie ihn aus einer Richtung, für die er gar nicht argumentiert hatte.
In derselben Mine entsteht heute DUNE, auf derselben Sohle, wenige hundert Meter von dort, wo sein Tank stand.
Häufige Fragen
Was maß das Homestake-Experiment tatsächlich?
Solare Neutrinos, durch Zählen der Argon-37-Atome, die entstehen, wenn ein Neutrino einen Chlor-37-Kern umwandelt. Der Detektor fasste 615 Tonnen Perchlorethylen in rund 1.478 Metern Tiefe.
Von wie wenigen Atomen reden wir?
Etwa ein erzeugtes Argonatom pro Tag im gesamten Tank. Davis holte sie alle paar Wochen heraus und zählte sie - das heißt, rund fünfzehn bestimmte Atome aus 615 Tonnen Flüssigkeit zu trennen.
Warum glaubte niemand das Ergebnis?
Weil es ein Drittel der Vorhersage war und die beiden naheliegenden Erklärungen ein Ausbeuteproblem oder ein Fehler im Sonnenmodell waren. Lange ließ sich keine ausschließen, und beide waren weniger bemerkenswert als die Wahrheit.
Was war die tatsächliche Erklärung?
Sein Detektor sah nur Elektron-Neutrinos. Zwei Drittel der solaren Neutrinos hatten unterwegs die Art gewechselt. Das zu bestätigen brauchte Super-Kamiokande 1998 und das Sudbury Neutrino Observatory 2001 und 2002.
Erlebte er seine Rehabilitierung?
Ja. Er erhielt den Nobelpreis 2002 im Alter von 88 Jahren und starb 2006. John Bahcall, dessen Sonnenmodell zusammen mit der Messung angezweifelt worden war, erhielt keinen und starb 2005.
