Physik-Nobelpreis für Neutrino-Jäger Francis Halzen

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Der diesjährige Physik-Nobelpreis geht an den in den USA tätigen gebürtigen Belgier Francis Halzen. Das gab die Königlich-Schwedische Akademie der Wissenschaften am Dienstag in Stockholm bekannt. Er wird “für seine entscheidenden Beiträge zum IceCube-Neutrino-Observatorium und die Entdeckung hochenergetischer Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs” ausgezeichnet.

Der an der University of Wisconsin-Madison tätige 82-jährige Elementarteilchenphysiker habe erkannt, dass sich das Eis am Südpol zur Beobachtung von Neutrinos nutzen lässt, begründete das Nobelpreis-Komitee seine Wahl. “Francis Halzen hat ein internationales Team von Forschern und Ingenieuren geleitet, die uns ein fantastisches Instrument zur Verfügung gestellt haben. Seine Beharrlichkeit und seine wissenschaftliche Vision haben den Weg für eine neue Art der Astronomie geebnet”, sagt Mark Pearce, Vorsitzender des Nobelkomitees für Physik.

Großkonsortium fand “geisterhafte Botschafter aus dem All”

Zum ersten Mal wurde der Physik-Nobelpreis von der neuen Generalsekretärin der Königlich-Schwedischen Akademie der Wissenschaften, der belgischen Materialwissenschafterin Ellen Moons bekannt gegeben, die in Bezug auf hochenergetische Neutrinos von “geisterhaften Botschaftern aus dem All” sprach. Einer der Pioniere zum Verständnis dieser mysteriösen Teilchen ist der österreichische Physiker Wolfgang Pauli (1900-1958), der im Jahr 1930 seine These von “elektrisch neutralen Teilchen” aufstellte, die beim Beta-Zerfall entstehen.

Gleich danach meinte Pauli dazu, “etwas Schreckliches getan zu haben … Ich habe etwas vorgeschlagen, was nie experimentell verifiziert werden kann” – ein Ausspruch, den Pearce nun zitierte. Letztlich gelang der erste Nachweis eines Neutrinos im Jahr 1956. Um dann solche Partikel kosmischen Ursprunges zu detektieren, habe es Halzen geschafft, ein Konsortium auf die Beine zu stellen, das aktuell aus rund 450 Personen aus 58 Institutionen aus 14 Ländern besteht.

Detektor aus einem Kubikkilometer Eis am Südpol

Seine erstmals 1988 präsentierte Vision zur Neutrinomessung am Südpol und seine wissenschaftliche Führungsrolle seien grundlegend für das 2011 fertiggestellte IceCube-Neutrino-Observatorium gewesen. Dabei handelt es sich um einen Detektor aus einem Kubikkilometer Eis, der mit 5.160 Lichtsensoren in Tiefen von rund 1.500 bis 2.500 Metern ausgestattet ist. Mit dessen Hilfe können Neutrinos aus extrem energiereichen Prozessen im fernen Universum nachgewiesen werden.

Diese hochenergetischen Neutrinos stammen aus “natürlichen Teilchenbeschleunigern” im Kosmos, die Teilchen mit Energien ausstoßen, die bis zu einer Million Mal höher sind als jene, die in Teilchenbeschleunigern auf der Erde erreicht werden können. Die Schwierigkeit beim Nachweis von Neutrinos ist dabei ihre äußerst geringe Wechselwirkung mit Materie. Es brauche einen großen Detektor, da sich die Neutrinos “nicht um die Erde scheren”, sagte Pearce bei der Präsentation. Milliarden durchdringen jede Sekunde die Erde und unseren Körper, ohne dass wir es wahrnehmen. Nur sehr selten wechselwirkt ein einzelnes Neutrino mit einem Atomkern, wodurch es mit entsprechenden Instrumenten nachgewiesen werden kann.

“Fenster zum Verständnis unseres Universums”

Das ist aber auch ein Vorteil: Denn im Gegensatz zu anderen Teilchenarten, die bei extrem energiereichen Prozessen im fernen Universum entstehen, erreichen uns Neutrinos in gerader Linie von ihrem Ursprungsort. Sie können damit Informationen über die noch rätselhaften Prozesse liefern, die auf keinem anderen Weg zugänglich sind. Sie würden damit “ein neues Fenster für das Verständnis unseres Universums” aufstoßen, erklärte Halzen 2015 bei der “European Physical Society Conference on High Energy Physics” in Wien.

Wenn ein Neutrino im IceCube-Observatorium mit einem Atomkern kollidiert, erzeugt es einen Lichtblitz, der von Sensoren im klaren Gletschereis erfasst werden kann. Weil kosmische Neutrinos mit extrem hohen Energien sehr selten sind, ist ein enormes Eisvolumen nötig, um eine ausreichende Anzahl von Kollisionen zu beobachten. Mit IceCube habe die Suche nach den Neutrinoquellen des Universums richtig beginnen können. Die Zusammenstöße liefern neue Erkenntnisse über die turbulenten Umgebungen, in denen hochenergetische Neutrinos entstehen können.

Trotz des riesigen Suchareals unter dem Eis des Südpoles könne man die raren Partikel aus den Tiefen des Alls im Schnitt nur rund ein Mal pro Tag nachweisen, so der Astrophysiker Pearce. Seine Kollegin Eva Olsson erklärte, dass Halzens Arbeit dem Gebiet einen “großen Sprung” ermöglicht hat. Die Hochenergie-Neutrinos brächten quasi “Nachrichten vom Kosmos”, so etwa Informationen zu explodierenden Sternen und supermassereichen Schwarzen Löchern. Mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) konnte man vor wenigen Jahren Neutrinos auch aus unserer Galaxie – die Milchstraße – nachweisen, hieß es.

Preisträger streicht Teamarbeit und “Glück” hervor

“Es war eine große Überraschung”, sagte Francis Halzen in einer ersten Reaktion im Rahmen der Bekanntgabe. Um IceCube tatsächlich umzusetzen, habe er zum Glück schnell “sehr wichtige” Kooperationspartner gefunden und eine Gruppe an “sehr couragierten Personen” für seine Ideen begeistern können. Als er diese in einer Publikation im Jahr 1988 vorstellte, habe sich sicher kein konservativ denkender Physiker zum Mitmachen bereit erklärt, sehr wohl aber abenteuerlustigere Forschende in größerer Zahl, wie der Preisträger, der aktuell in Italien unterwegs ist, erklärte. Die vergangenen Tage sei er auf einem Wissenschaftsfestival im norditalienischen Bergamo oft auf die Möglichkeit eines Nobelpreises für ihn angesprochen worden. Das habe sich “seltsam angefühlt”. Und: “Jetzt, wo es wahr wurde, fühlt es sich noch seltsamer an.”

“Mr. Ice Cube” sieht das Interessanteste erst kommen

Dass man es geschafft hat, Neutrinos von weit außerhalb zu detektieren, sei eine Leistung vieler Personen gewesen: “Ich muss betonen, wie viel Glück ich hatte.” Der Erfolg sei jedenfalls keineswegs garantiert gewesen. Es habe viele Momente gegeben, wo das Unterfangen hätte scheitern können. Dass dem nicht so war, sei vielfach wieder Glück gewesen. Dass man dann zwei Jahre nach dem Start von IceCube erstmals fündig wurde und das im Jahr 2013 auf der Titelseite des Fachmagazins “Science” kundtun konnte, habe gezeigt, dass der Aufbau funktioniert. Nun stehe man aber erst am Beginn der “Neutrinoastronomie”: “Das Interessanteste kommt erst”, gab sich Halzen überzeugt.

Der Leiter des Marietta-Blau-Instituts der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Wien, Jochen Schieck, zeigte sich angesichts der Nobelpreis-Entscheidung keineswegs überrascht. Halzen sei jene Person gewesen, der das IceCube-Projekt über Jahre hinweg federführend vorangetrieben habe: “Er war Mr. Ice Cube, ganz klar”, so Schieck zur APA, die Auszeichnung sei dementsprechend “vollkommen verdient”. Halzens Herangehen damals sei “schon ziemlich mutig gewesen” und das Unterfangen, diese Art der Neutrinos nachzuweisen, “ist extrem schwierig”. Letztlich könne man nun “Botenteilchen” studieren, mit denen man etwas über extrem hochenergetische Prozesse außerhalb unserer Galaxie lernen könne.

Als Beispiele nannte der Astrophysiker Zoltan Haiman vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) in einem der APA übermittelten Statement u.a., dass einige der von IceCube nachgewiesenen Neutrinos aus dem Kern entfernter Galaxien stammen, aus der Nähe supermassiver Schwarzer Löcher. Es habe sich gezeigt, dass das extrem heiße Plasma, das in diese Schwarzen Löcher fällt, Neutrinos erzeugt, wahrscheinlich durch Kollisionen zwischen Protonen und energiereichen Röntgenphotonen. Zudem dürfte kosmische Strahlung, die auf dichte Wolken in der Milchstraße trifft, Neutrinos erzeugen.

Chemie-Bekanntgabe am Mittwoch

Die Nobelpreise sind heuer mit zwölf Millionen Schwedischen Kronen (1,06 Mio. Euro) dotiert. Übergeben wird der Preis alljährlich am 10. Dezember, dem Todestag des Stifters Alfred Nobel. Im vergangenen Jahr wurde ein Forscher-Trio aus den USA ausgezeichnet, das Quanteneffekte auf eine neue, größere Ebene gehoben hat: John Clarke, Michel H. Devoret und John M. Martinis wurden “für die Entdeckung des makroskopischen quantenmechanischen Tunneleffekts und der Energiequantisierung in einem Stromkreis” mit dem Physik-Nobelpreis geehrt. Die Nobelpreis-Woche geht am Mittwoch mit der Bekanntgabe der Chemie-Preisträger weiter.

(S E R V I C E – https://www.nobelprize.org/ )