Reines und Cowan: Projekt Poltergeist
Zwischen Paulis Vorschlag des Neutrinos und dem ersten Fang vergingen sechsundzwanzig Jahre. Der Grund war kein Mangel an Interesse, sondern Arithmetik: Die Wechselwirkung ist so schwach, dass jede vernünftige Abschätzung der nötigen Apparatur absurd ausfiel. Der Beitrag von Reines und Cowan war die Einsicht, dass man, wenn sich die Chance je Neutrino nicht verbessern lässt, eben sehr viele Neutrinos anliefern und nach einer Signatur suchen kann, die nichts sonst nachahmen kann.
Der Bombenvorschlag
Das Problem war 1951 der Fluss. Ein Neutrino nachzuweisen verlangt, dass ungeheuer viele auf ein Ziel treffen, und die einzigen verfügbaren Quellen waren nuklear. Der erste konkrete Plan von Reines und Cowan sah vor, einen Detektor in einem Schacht nahe einem atmosphärischen Kernwaffentest aufzuhängen, ihn im Moment der Zündung in den freien Fall zu entlassen, damit er keine Erschütterung erfährt, und ihn danach aus dem Schutt zu bergen.
Der Plan war ernst gemeint, im Detail ausgearbeitet und genehmigt. Es lohnt festzuhalten, wie seltsam das ist - und ebenso, dass er eine vernünftige Antwort auf die Zahlen war. Eine Bombe erzeugt einen kurzen, gewaltigen Ausbruch von Antineutrinos, und ein kurzer Ausbruch hat den Vorteil, dass alles, was nicht damit synchron ist, ignoriert werden kann.
Sie gaben ihn auf, nachdem sie erkannten, dass ein Kernreaktor einen kontinuierlichen Fluss liefert, der über Monate Laufzeit aufsummiert mehr ergibt als eine einzelne Zündung - und das, ohne dass der Detektor eine nukleare Explosion überstehen muss.
Die Episode erinnert nützlich daran, dass die Geschichte der Physik viele verworfene Pläne enthält, die nicht dumm waren, sondern nur überholt.
Die Signatur
Die gesuchte Reaktion ist der inverse Betazerfall: Ein Antineutrino trifft ein Proton und erzeugt ein Neutron und ein Positron. Erkennbar macht sie nicht eines der beiden Produkte für sich, sondern die Abfolge.
Das Positron zerstrahlt fast sofort mit einem Elektron und erzeugt zwei Gammaquanten genau festgelegter Energie, die in entgegengesetzte Richtungen fliegen. Das Neutron wandert einige Mikrosekunden weiter und wird langsamer, bis ein Cadmiumkern es einfängt, der daraufhin seine eigenen charakteristischen Gammaquanten aussendet.
Der Detektor sieht also einen Blitz und wenige Mikrosekunden später einen zweiten, mit bestimmten Energien. Zufälliger Untergrund erzeugt fortwährend Blitze, aber genau dieses Paar in genau diesem Abstand zufällig zu erzeugen ist verschwindend unwahrscheinlich. Die verzögerte Koinzidenz ist der Fingerabdruck.
Die Apparatur war entsprechend im Konzept einfach: Wassertanks mit gelöstem Cadmiumchlorid, eingeklemmt zwischen Tanks mit flüssigem Szintillator, überwacht von Photovervielfachern. Das Konstruktionsprinzip überlebt in heutigen Experimenten mit Reaktorneutrinos nahezu unverändert.
1953, 1956 und das Telegramm
Ein erster Durchgang am Standort Hanford 1953 lieferte ein Signal, das nicht überzeugte. Der Untergrund aus kosmischer Strahlung war zu hoch, und das Ergebnis ließ sich davon nicht sauber trennen. Sie bauten mit besserer Abschirmung neu und zogen zum Savannah River Plant um, wo der Detektor zwölf Meter unter Tage und elf Meter vom Reaktorkern entfernt aufgestellt werden konnte.
Der Durchgang von 1956 gelang. Das Signal erschien, wenn der Reaktor lief, und verschwand, wenn er abgeschaltet wurde - die Kontrolle, auf die es am meisten ankam.
Am 14. Juni 1956 schickten sie Pauli ein Telegramm mit der Nachricht, sein Teilchen sei zweifelsfrei nachgewiesen. Pauli, damals in Zürich, antwortete, alles komme zu dem, der zu warten weiß. Zwei Jahre später starb er.
Der Nobelpreis für diese Arbeit wurde 1995 verliehen, neununddreißig Jahre danach. Reines erhielt ihn. Cowan war 1974 gestorben, und der Preis wird nicht posthum vergeben - einer von mehreren Fällen, in denen diese Regel zu einem Ergebnis geführt hat, das inhaltlich niemand verteidigt.
Was es belegte
Das unmittelbare Ergebnis war, dass das Neutrino als Teilchen existierte und nicht als Buchhaltungsgröße. Diese Unterscheidung war ein Vierteljahrhundert lang wirklich offen gewesen.
Die Methode wog so schwer wie der Befund. Die verzögerte Koinzidenz ist bis heute das Standardverfahren zum Nachweis von Reaktorantineutrinos, und der Grundaufbau aus Ziel, Szintillator und Photovervielfachern ist in Borexino, JUNO und jedem Experiment dieser Familie wiederzuerkennen.
Er legte auch die Größenordnung des Problems für alle Nachfolgenden fest. Reines und Cowan registrierten rund drei Ereignisse pro Stunde aus einem Reaktor in elf Metern Entfernung. Jedes spätere Experiment, von Homestake bis IceCube, ist eine Auseinandersetzung darüber, wie sich aus einem Fluss, der so wenig hergibt, eine brauchbare Zahl von Ereignissen gewinnen lässt.
Reines arbeitete den Rest seiner Laufbahn an Neutrinos und war am Nachweis der Neutrinos aus der Supernova 1987A beteiligt, einunddreißig Jahre nach dem ersten Nachweis.
Häufige Fragen
Wie wiesen sie ein Teilchen nach, das Pauli für unnachweisbar hielt?
Mit einem gewaltigen Fluss aus einem Kernreaktor und der Suche nach einer Signatur, die nichts sonst erzeugt: eine Positronenzerstrahlung, gefolgt wenige Mikrosekunden später von einem Neutroneneinfang, beide bei bestimmten Energien.
Wollten sie wirklich eine Atombombe nutzen?
Ja. Ihr erster genehmigter Plan war, einen Detektor in einem Schacht nahe einem atmosphärischen Waffentest fallen zu lassen, sodass er während der Zündung frei fiel. Sie gaben ihn auf, als sie erkannten, dass ein Reaktor über Monate mehr aufsummierten Fluss liefert.
Was stand im Telegramm?
Am 14. Juni 1956 drahteten sie Wolfgang Pauli, sein Teilchen sei zweifelsfrei nachgewiesen. Pauli antwortete, alles komme zu dem, der zu warten weiß.
Warum erhielt nur Reines den Nobelpreis?
Weil er 1995 verliehen wurde und Clyde Cowan 1974 gestorben war. Der Nobelpreis wird nicht posthum vergeben.
Wird die Methode noch verwendet?
Ja. Die verzögerte Koinzidenz ist weiterhin das Standardverfahren zum Nachweis von Reaktorantineutrinos, und der Aufbau aus Ziel, Szintillator und Photovervielfachern ist in modernen Detektoren wiederzuerkennen.
