Wie ein fehlgeschlagenes Kernexperiment versehentlich die Neutrinoastronomie erzeugte

Das Vorhandensein von Neutrinos kann an den Cherenkov-Strahlungsringen erkannt werden, die auf Vakuumröhren von photoelektronischen Multiplikatoren an den Wänden des Detektors erscheinen. Diese Beobachtung zeigt den Erfolg der Neutrinoastronomiemethode. Dieses Bild zeigt viele Ereignisse gleichzeitig.

Manchmal scheitern sogar die erfolgreichsten Experimente. Der gesuchte Effekt tritt möglicherweise nicht auf, daher sollten Sie immer auf ein Null-Ergebnis vorbereitet sein. In solchen Fällen wird das Experiment als nicht erfolgreich markiert, obwohl Sie ohne Durchführung niemals von den Ergebnissen gewusst hätten.

Und doch reagiert das von Ihnen gebaute Gerät manchmal empfindlich auf etwas völlig anderes. Wenn wir die Wissenschaft auf eine neue Art und Weise verfolgen, mit einer neuen Sensibilität oder unter neuen, einzigartigen Bedingungen, machen wir oft die unerwartetsten und erfolgreichsten Entdeckungen. 1987 entdeckte ein fehlgeschlagenes Experiment zum Nachweis des Protonenzerfalls erstmals Neutrinos, die nicht nur aus unserem Sonnensystem, sondern auch außerhalb der Milchstraße stammten. So wurde die Neutrinoastronomie geboren.


Die Umwandlung eines Neutrons in ein Proton, ein Elektron und ein Anti-Elektronen-Neutrino ist eine solche Hypothese, die Pauli aufgestellt hat, um das Problem der Energie zu lösen, die beim Beta-Zerfall nicht erhalten bleibt

Das Neutrino ist eine der größten Erfolgsgeschichten der theoretischen Physik. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren drei Arten des radioaktiven Zerfalls bekannt:

1. Alpha-Zerfall , bei dem ein großes Atom einen Heliumkern emittiert und zwei Elemente in das Periodensystem springt.
2. Beta-Zerfall , bei dem der Atomkern ein hochenergetisches Elektron emittiert und ein Element im Periodensystem nach oben bewegt.
3. Gamma-Zerfall , bei dem der Atomkern ein Energiephoton emittiert und in seiner Zelle im Periodensystem verbleibt.

Bei jeder Reaktion müssen nach den Gesetzen der Physik die Anfangsenergie und der Impuls der Reaktanten mit der Gesamtenergie und dem Impuls der Reaktionsprodukte übereinstimmen. Und im Fall von Alpha-Zerfall und Gamma-Zerfall war es so. Beim Beta-Zerfall wurde diese Regel jedoch nicht eingehalten: Energie ging immer verloren.


Die V-förmige Spur wurde höchstwahrscheinlich von einem Myon hinterlassen, das in ein Elektron und zwei Neutrinos zerfiel. Eine energiereiche Spur mit einem Bruch zeigt den Zerfall eines Teilchens im Flug an. Ein solcher Zerfall verstößt gegen das Gesetz der Energieerhaltung, wenn Neutrinos nicht darin enthalten sind.

1930 schlug Wolfgang Pauli die Einführung eines neuen Teilchens vor, das dieses Problem lösen würde: Neutrinos. Dieses kleine neutrale Teilchen kann Energie und Impuls mit sich führen, ist jedoch äußerst schwer zu erkennen. Es absorbiert und emittiert kein Licht und interagiert nur mit den Atomkernen. Darüber hinaus ist es äußerst selten.

Nachdem Pauli diesen Vorschlag gemacht hatte, fühlte er sich nicht zuversichtlich und fröhlich, sondern verlegen. "Ich habe etwas Schreckliches getan, ich habe die Existenz eines Partikels erklärt, das nicht nachgewiesen werden kann", kündigte er an. Trotz seiner Ausreden wurde die Theorie experimentell bestätigt.


Experimenteller RA-6 -Kernreaktor, der die charakteristische Cherenkov-Strahlung zeigt, die durch Partikel verursacht wird, die sich schneller als Licht in Wasser bewegen. Neutrinos (oder genauer Antineutrinos), deren Existenzhypothese 1930 erstmals von Pauli aufgestellt wurde, wurden 1956 in einem ähnlichen Kernreaktor entdeckt.

1956 wurden Neutrinos (genauer gesagt Antineutrinos) erstmals direkt als Produkte eines Kernreaktors nachgewiesen. Neutrinos können auf zwei Arten mit dem Atomkern interagieren:

• sie zerstreuen sich entweder und hüpfen wie eine Billardkugel, die gegen eine Gruppe anderer kracht.
• oder die Emission neuer Teilchen mit ihren Energien und Impulsen verursachen.

In jedem Fall können Sie Partikeldetektoren bauen, bei denen Sie Wechselwirkungen mit Neutrinos erwarten, und nach diesen suchen. So wurden die ersten Neutrinos gefunden: Wissenschaftler bauten Detektoren, die empfindlich auf Anzeichen von Neutrinos an den Rändern von Kernreaktoren reagieren. Und wenn Sie die gesamte Energie der Reaktionsprodukte, einschließlich der Neutrinos, wiederherstellen, stellt sich heraus, dass die Energie immer noch erhalten bleibt.


Schematische Darstellung des Beta-Zerfalls im Kern in einem massiven Atomkern. Nur wenn man die Energie und den Impuls eines Neutrinos berücksichtigt, kann man die Erhaltungsgesetze erfüllen

Theoretisch sollten Neutrinos in jeder Kernreaktion auftreten: in der Sonne, in Sternen und Supernovae, wenn hochenergetische kosmische Strahlen mit Partikeln der Erdatmosphäre kollidieren. Bereits in den 1960er Jahren hatten Physiker Neutrino-Detektoren auf der Suche nach solaren und atmosphärischen Neutrinos entwickelt.

Diese Neutrino-Detektoren enthielten eine große Menge an Material, mit dem Neutrinos interagieren sollten. Um die Detektoren vor anderen Partikeln zu schützen, befanden sie sich tief unter der Erde: in den Minen. Nur Neutrinos sollten die Minen betreten; andere Teilchen müssen von der Erde absorbiert werden. In den späten 1960er Jahren wurden solare und atmosphärische Neutrinos erfolgreich nachgewiesen.


Homestake Gold Mine beißt in die Berge von South Dakotas Lead City. Es wurde vor mehr als 123 Jahren eröffnet und produzierte mehr als 1.100 Tonnen Gold aus einer Tiefe von 2.400 m. 1968 wurden hier in einem von John Bacall und Ray Davis entwickelten Experiment die ersten Neutrinos entdeckt.

Die für Experimente mit Neutrinos und Hochenergiebeschleunigern entwickelte Teilchendetektionstechnologie erwies sich als geeignet für ein anderes Phänomen: die Suche nach dem Zerfall von Protonen. Obwohl das Standardmodell der Teilchenphysik die vollständige Stabilität eines Protons vorhersagt, kann ein Proton in vielen seiner Erweiterungen - beispielsweise in den Theorien der großen Vereinigung - in leichtere Teilchen zerfallen.

Theoretisch sollte ein Proton beim Zerfall Teilchen kleiner Masse mit hoher Geschwindigkeit emittieren. Wenn Sie die Energien und Impulse dieser sich schnell bewegenden Teilchen finden, können Sie ihre Gesamtenergie wiederherstellen und verstehen, ob es sich um ein Proton handelt.


Hochenergetische Partikel können mit anderen kollidieren und Schauer neuer Partikel verursachen, die vom Detektor erkannt werden können. Nachdem wir die Energie, den Impuls und andere Eigenschaften jedes einzelnen von ihnen wiederhergestellt haben, können wir bestimmen, was genau anfänglich kollidierte und was in diesem Ereignis auftrat

Wenn Protonen zerfallen, sollte ihre Lebensdauer extrem lang sein. Das Universum selbst ist nur 10 bis ¹⁰ Jahre alt, aber die Protonenlebensdauer sollte viel länger sein. Aber wie viel mehr? Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems besteht darin, dass Sie nicht ein Proton überwachen müssen, sondern eine große Anzahl von ihnen. Wenn die Lebensdauer des Protons 10 bis ³⁰ Jahre beträgt, können Sie entweder ein Proton nehmen und so lange warten (eine schlechte Idee), oder 10 ³⁰ Protonen nehmen und ein Jahr warten, um zu beobachten, ob eines von ihnen zerfällt.

Ein Liter Wasser enthält etwas mehr als 10 ²⁵ Moleküle, und jedes Molekül hat zwei Wasserstoffatome: ein Proton mit einem Elektron im Orbit. Wenn das Proton instabil ist, sollte ein ausreichend großer Wassertank mit einer großen Anzahl von Detektoren Ihnen helfen, entweder seine Stabilität / Instabilität zu messen oder ihn zu begrenzen.


Die Detektorschaltung Kamiokande 1980er Jahre. Die Höhe des Tanks beträgt ca. 15 Meter.

In Japan wurde 1982 in den Kamioka-Minen mit dem Bau eines großen unterirdischen Detektors begonnen. Er wurde KamiokaNDE genannt: Kamioka Nucleon Decay Experiment (Kamioka Core Decay Experiment). Es war so groß, dass es mehr als 3.000 Tonnen Wasser und etwa 1.000 Detektoren enthielt, die für die Erfassung der von einem sich schnell bewegenden Teilchen emittierten Strahlung optimiert waren.

Bis 1987 war der Detektor mehrere Jahre ohne einen einzigen Fall von Protonenzerfall in Betrieb. Der Panzer enthielt ungefähr 10 ³³ Protonen, und das Null-Ergebnis widerlegte die populärste Theorie unter den Theorien der großen Vereinigung vollständig. Soweit wir das beurteilen können, zerfällt das Proton nicht. Das Hauptziel von Kamiokande wurde nicht erreicht.


Eine Supernova-Explosion bereichert ihr interstellares Medium mit schweren Elementen. Außenringe entstehen aus vorherigem Material, das lange vor der Hauptexplosion ausgeworfen wurde. Außerdem sendet eine Explosion eine Vielzahl von Neutrinos aus, von denen einige die Erde erreichen

Aber dann passierte etwas Unerwartetes. 165.000 Jahre zuvor hatte in der Satellitengalaxie der Milchstraße ein massereicher Stern das Ende seines Lebens erreicht und explodierte, wodurch eine Supernova entstand. Am 23. Februar 1987 erreichte dieses Licht erstmals die Erde.

Und einige Stunden vor dem Aufkommen dieser Welt passierte auf Kamiokand etwas Bemerkenswertes: 12 Neutrinos kamen mit einer Differenz von 13 Sekunden an. Zwei Ausbrüche - der erste enthielt 9 Neutrinos, der zweite 3 - zeigten, dass in Supernovae ziemlich viele Kernreaktionen Neutrinos erzeugen.


Drei verschiedene Detektoren beobachteten Neutrinos von SN 1987A , und der zuverlässigste und erfolgreichste wurde von Kamiokande hergestellt. Die Umwandlung von einem Nukleonenzerfallsdetektor zu einem Neutrino-Detektor ebnete den Weg für die Entwicklung einer Wissenschaft wie der Neutrino-Astronomie

Zum ersten Mal entdeckten wir Neutrinos, die von außerhalb des Sonnensystems kamen. Die Neutrino-Astronomie begann. In den nächsten Tagen wurde an vielen Boden- und Weltraumobservatorien Licht von dieser Supernova, die heute als SN 1987A bekannt ist, über einen weiten Wellenlängenbereich beobachtet. Aufgrund des winzigen Zeitunterschieds zwischen dem Neutrino und dem Licht haben wir gelernt, dass das Neutrino:

• Diese 165.000 Lichtjahre sind mit einer Geschwindigkeit vergangen, die von der Lichtgeschwindigkeit nicht zu unterscheiden ist.
• dass ihre Masse nicht größer als 1/30 000 der Masse eines Elektrons sein kann;
• dass Neutrinos auf ihrer Reise vom Kern eines sich zusammenziehenden Sterns in seine Photosphäre nicht langsamer werden, wie dies beim Licht der Fall ist.

Und auch heute, mehr als 30 Jahre später, können wir die Überreste einer Supernova untersuchen und sehen, wie sie sich entwickelt hat.


Die Druckwelle, die sich von der Explosion von 1987 nach außen bewegt, kollidiert weiterhin mit dem zuvor ausgestoßenen Material des einst massiven Sterns und erwärmt und hebt es dabei hervor. Viele Observatorien erhalten bis heute Bilder von Supernova-Überresten.

Die wissenschaftliche Bedeutung dieses Ergebnisses kann nicht überschätzt werden. Er bemerkte die Entstehung der Neutrinoastronomie, genau wie die erste Entdeckung von Gravitationswellen aus der Verschmelzung von Schwarzen Löchern die Geburt der Gravitationswellenastronomie markierte. Dann wurde die Mehrkanalastronomie geboren, wobei erstmals festgestellt wurde, dass dasselbe Objekt sowohl im elektromagnetischen Bereich (Licht) als auch durch eine andere Methode (Neutrino) beobachtet wurde.

Er zeigte uns das Potenzial, große unterirdische Panzer zur Erkennung von Weltraumereignissen einzusetzen. Und er lässt uns hoffen, dass wir eines Tages eine abschließende Beobachtung machen können: ein Ereignis, bei dem Licht, Neutrinos und Gravitationswellen zusammenkommen und uns alle Prinzipien der Arbeit von Objekten des Universums lehren.


Das letzte Ereignis der Mehrkanalastronomie wäre die Verschmelzung von zwei weißen Zwergen oder zwei Neutronensternen, die in unserer Nähe stattfand. Wenn ein solches Ereignis in der Nähe der Erde auftritt, können wir gleichzeitig Neutrinos, Licht und Gravitationswellen erfassen.

Und dank dieses Ergebnisses wurde das Kamiokande-Experiment geschickt umbenannt. Da das Kamioka Nucleon Decay Experiment fehlschlug, wurde KamiokaNDE abgebrochen. Aber die erstaunliche Neutrino-Beobachtung von SN 1987A brachte ein neues Observatorium hervor: KamiokaNDE, Kamioka-Neutrino-Detektor-Experiment (Kamioka-Neutrino-Detektionsexperiment)! In den letzten über 30 Jahren wurde es viele Male aktualisiert und es wurden mehrere ähnliche Strukturen auf der ganzen Welt gebaut.

Wenn heute in unserer Galaxie eine Supernova explodieren würde, hätten wir das Glück, bis zu 10.000 Neutrinos zu registrieren, die an unserem Detektor ankommen. Zusammen würden sie die Protonenlebensdauer, von der heute angenommen wird, dass sie 10 bis ³⁵ Jahre überschreitet, noch stärker einschränken - aber wir bauen sie nicht dafür. Nach jeder Katastrophe hoher Energie stürzen sich Neutrinos über das Universum. Und mit funktionierenden Detektoren lebt die Neutrinoastronomie, fühlt sich gut an und ist bereit für das, was uns der Weltraum sendet.