Wir sind voller Neutrinos. Sie gehören zu den leichtesten der rund zwei Dutzend bekannten subatomaren Teilchen und kommen aus allen Richtungen: vom Urknall, mit dem das Universum begann, von explodierenden Sternen und vor allem von der Sonne. Sie kommen fast mit Lichtgeschwindigkeit durch die Erde, die ganze Zeit, Tag und Nacht, in enormer Zahl. Jede Sekunde passieren etwa 100 Billionen Neutrinos unseren Körper.
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Das Problem für Physiker ist, dass Neutrinos unmöglich zu sehen und schwer zu erkennen sind. Jedes Instrument, das dafür entwickelt wurde, fühlt sich bei Berührung zwar solide an, aber für Neutrinos ist selbst Edelstahl meistens ein leerer Raum, so weit offen wie ein Sonnensystem für einen Kometen. Außerdem haben Neutrinos im Gegensatz zu den meisten subatomaren Partikeln keine elektrische Ladung - sie sind neutral, daher der Name -, sodass Wissenschaftler keine elektrischen oder magnetischen Kräfte anwenden können, um sie einzufangen. Physiker nennen sie "Geisterpartikel".
Um diese schwer fassbaren Wesenheiten einzufangen, haben Physiker einige außerordentlich ehrgeizige Experimente durchgeführt. Damit Neutrinos nicht mit kosmischen Strahlen verwechselt werden (subatomare Teilchen aus dem Weltraum, die nicht in die Erde eindringen), werden Detektoren tief unter der Erde installiert. Enorme Mengen wurden in Gold- und Nickelminen, in Tunneln unter Bergen, im Ozean und im antarktischen Eis platziert. Diese seltsam schönen Geräte sind Denkmäler für die Entschlossenheit der Menschheit, etwas über das Universum zu lernen.
Es ist unklar, welche praktischen Anwendungen das Studium von Neutrinos bringen wird. "Wir wissen nicht, wohin es führen wird", sagt Boris Kayser, theoretischer Physiker bei Fermilab in Batavia, Illinois.
Physiker untersuchen Neutrinos zum Teil, weil Neutrinos so seltsame Charaktere sind: Sie scheinen die Regeln zu brechen, die die Natur am grundlegendsten beschreiben. Und wenn Physiker jemals ihre Hoffnungen erfüllen wollen, eine kohärente Theorie der Realität zu entwickeln, die die Grundlagen der Natur ausnahmslos erklärt, müssen sie das Verhalten von Neutrinos berücksichtigen.
Darüber hinaus faszinieren Neutrinos Wissenschaftler, weil die Teilchen Botenstoffe aus dem äußeren Bereich des Universums sind, die durch die gewaltsame Explosion von Galaxien und anderen mysteriösen Phänomenen entstehen. "Neutrinos können uns vielleicht Dinge erzählen, die die trostloseren Teilchen nicht können", sagt Kayser.
Die Physiker stellten sich Neutrinos vor, lange bevor sie welche fanden. 1930 entwickelten sie das Konzept, um eine Gleichung auszugleichen, die sich nicht summierte. Wenn der Kern eines radioaktiven Atoms zerfällt, muss die Energie der von ihm emittierten Teilchen der ursprünglich enthaltenen Energie entsprechen. Wissenschaftler beobachteten jedoch, dass der Kern mehr Energie verlor als Detektoren aufnahmen. Um diese zusätzliche Energie zu berücksichtigen, konzipierte der Physiker Wolfgang Pauli ein zusätzliches, unsichtbares Teilchen, das vom Kern emittiert wird. "Ich habe heute etwas sehr Schlimmes getan, indem ich ein Teilchen vorgeschlagen habe, das nicht nachgewiesen werden kann", schrieb Pauli in sein Tagebuch. "Es ist etwas, was kein Theoretiker jemals tun sollte."
Experimentalisten suchten sowieso danach. In einem Atomwaffenlabor in South Carolina stellten sie Mitte der 1950er-Jahre zwei große Wassertanks vor einem Atomreaktor auf, der nach ihren Gleichungen zehn Billionen Neutrinos pro Sekunde hätte produzieren sollen. Der Detektor war nach heutigen Maßstäben winzig, konnte aber dennoch Neutrinos ausmachen - drei pro Stunde. Die Wissenschaftler hatten festgestellt, dass das vorgeschlagene Neutrino tatsächlich real war; Untersuchung des schwer fassbaren Partikels beschleunigt.
Ein Jahrzehnt später vergrößerte sich das Feld, als eine andere Gruppe von Physikern einen Detektor in der Homestake-Goldmine in Lead, South Dakota, im Untergrund von 4850 Fuß installierte. In diesem Experiment beobachteten die Wissenschaftler Neutrinos, indem sie beobachteten, was in seltenen Fällen passiert, wenn ein Neutrino mit einem Chloratom kollidiert und radioaktives Argon erzeugt, das leicht nachweisbar ist. Das Herzstück des Versuchs war ein Tank, der mit 600 Tonnen einer chlorreichen Flüssigkeit, Perchlorethylen, gefüllt war, einer Flüssigkeit, die für die chemische Reinigung verwendet wurde. Alle paar Monate spülten die Wissenschaftler den Tank und extrahierten etwa 15 Argonatome, was auf 15 Neutrinos hindeutete. Die Überwachung dauerte mehr als 30 Jahre.
In der Hoffnung, Neutrinos in größerer Zahl nachweisen zu können, führten Wissenschaftler in Japan ein Experiment in einer Zinkmine durch, das 300 Meter unter der Erde lag. Super-Kamiokande oder Super-K wurde 1996 in Betrieb genommen. Der Detektor besteht aus 50.000 Tonnen Wasser in einem gewölbten Tank, dessen Wände mit 13.000 Lichtsensoren bedeckt sind. Die Sensoren erkennen den gelegentlichen blauen Blitz (für unsere Augen zu schwach), wenn ein Neutrino mit einem Atom im Wasser kollidiert und ein Elektron erzeugt. Und indem sie den genauen Weg verfolgen, den das Elektron im Wasser zurücklegte, konnten die Physiker auf die Quelle des kollidierenden Neutrinos im Weltraum schließen. Die meisten kamen von der Sonne. Die Messungen waren so empfindlich, dass Super-K den Weg der Sonne über den Himmel verfolgen und von fast einer Meile unter der Erdoberfläche beobachten konnte, wie sich der Tag in die Nacht verwandelte. "Es ist wirklich eine aufregende Sache", sagt Janet Conrad, eine Physikerin am Massachusetts Institute of Technology. Die Teilchenspuren können zu einem „schönen Bild, dem Bild der Sonne in Neutrinos“, zusammengesetzt werden.
Bei den Experimenten Homestake und Super-K wurden jedoch nicht so viele Neutrinos nachgewiesen, wie die Physiker erwartet hatten. Untersuchungen am Sudbury Neutrino Observatory (SNO, ausgesprochen „Schnee“) ergaben, warum. SNO ist in einer 6.800 Fuß tiefen Nickelmine in Ontario installiert und enthält 1.100 Tonnen „schweres Wasser“, das eine ungewöhnliche Form von Wasserstoff enthält, die relativ leicht mit Neutrinos reagiert. Die Flüssigkeit befindet sich in einem Tank, der in einer riesigen Acrylkugel aufgehängt ist, die selbst in einem geodätischen Aufbau untergebracht ist, der Vibrationen absorbiert und an dem 9.456 Lichtsensoren angebracht sind - das Ganze sieht aus wie ein 30 Fuß großer Weihnachtsbaumschmuck.
Bei SNO arbeitende Wissenschaftler entdeckten 2001, dass ein Neutrino spontan zwischen drei verschiedenen Identitäten wechseln kann - oder, wie Physiker sagen, zwischen drei Geschmacksrichtungen oszilliert. Die Entdeckung hatte verblüffende Auswirkungen. Zum einen zeigte sich, dass frühere Experimente weitaus weniger Neutrinos als vorhergesagt entdeckt hatten, da die Instrumente auf nur ein Neutrino-Aroma abgestimmt waren - die Art, die ein Elektron erzeugt - und die fehlten, die umschalteten. Zum anderen stürzte die Entdeckung die Überzeugung der Physiker, dass ein Neutrino wie ein Photon keine Masse hat. (Das Oszillieren zwischen Aromen ist etwas, was nur Teilchen mit Masse können.)
Wie viel Masse haben Neutrinos? Um das herauszufinden, bauen Physiker KATRIN - das Karlsruher Tritium-Neutrino-Experiment. KATRINs Geschäftsbereich verfügt über ein 200 Tonnen schweres Gerät, ein Spektrometer, das die Masse der Atome vor und nach ihrem radioaktiven Zerfall misst und so die Masse des Neutrinos anzeigt. Die Techniker bauten das Spektrometer etwa 400 Kilometer von Karlsruhe entfernt, wo das Experiment durchgeführt werden soll. Das Gerät war zu groß für die engen Straßen der Region, daher wurde es auf ein Boot auf der Donau gesetzt und schwebte an Wien, Budapest und Belgrad vorbei ins Schwarze Meer, über die Ägäis und das Mittelmeer, um Spanien herum, über den Ärmelkanal, nach Rotterdam und in den Rhein, dann südlich zum Leopoldshafen. Dort wurde es auf einen Lastwagen verladen und quietschte zwei Monate und 5.600 Meilen später durch die Stadt zu seinem Ziel. Die Datenerfassung ist für 2012 geplant.
Physiker und Astronomen, die an Informationen interessiert sind, die Neutrinos aus dem Weltraum über Supernovae oder kollidierende Galaxien transportieren, haben Neutrinoteleskope aufgestellt. Eines, IceCube, befindet sich in einem Eisfeld in der Antarktis. Nach seiner Fertigstellung im Jahr 2011 wird es aus mehr als 5.000 Blaulichtsensoren bestehen (siehe Abbildung oben). Die Sensoren zielen nicht wie zu erwarten auf den Himmel, sondern auf den Boden, um Neutrinos von der Sonne und dem Weltraum zu erkennen, die von Norden durch den Planeten kommen. Die Erde blockiert kosmische Strahlen, aber die meisten Neutrinos rasen durch den 1300 Kilometer breiten Planeten, als wäre er nicht da.
In mehreren Bundesstaaten des Mittleren Westens findet ein Neutrino-Fernexperiment statt. Ein Hochenergiebeschleuniger, der subatomare Teilchen erzeugt, schießt Strahlen von Neutrinos und verwandten Teilchen bis zu einer Tiefe von sechs Meilen unterhalb von Nord-Illinois über Wisconsin nach Minnesota. Die Partikel beginnen im Fermilab als Teil eines Experiments namens Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS). In weniger als drei Tausendstelsekunden trafen sie einen Detektor in der 450 Meilen entfernten Soudan-Eisenmine. Die Daten, die die Wissenschaftler gesammelt haben, erschweren ihr Bild dieser unendlich kleinen Welt: Es scheint, dass exotische Formen von Neutrinos, sogenannte Anti-Neutrinos, möglicherweise nicht den gleichen Schwingungsregeln folgen wie andere Neutrinos.
"Was cool ist", sagt Conrad, "ist, dass es nicht das ist, was wir erwartet haben."
Wenn es um Neutrinos geht, ist es sehr wenig.
Ann Finkbeiners neuestes Buch, A Grand and Bold Thing, handelt von der Sloan Digital Sky Survey, einem Versuch, das Universum abzubilden.
Die meisten Neutrinos, die uns bombardieren, kommen von der Sonne, hier in einem ultravioletten Bild gezeigt. (NASA) 
Der kavernöse Super-Kamiokande-Detektor in Japan ist mit 13.000 Sensoren ausgekleidet, um Anzeichen von Neutrinos zu lokalisieren. Arbeiter in einem Boot überwachen das Gerät, während es sich mit Wasser füllt. (Kamioka-Observatorium, ICRR (Institut für Kosmische Strahlenforschung), Universität Tokio) 
In einer Reihe von Reaktionen im Sonnenkern bilden Wasserstoffatome durch Fusion Helium. Der Prozess setzt Energie und subatomare Partikel frei, einschließlich Neutrinos. Wenn ein Photon oder ein Lichtteilchen den dichten Kern der Sonne verlässt, bleibt es in der Hitze und Wut gefangen und kann uns für Millionen von Jahren nicht erreichen. Aber ein solares Neutrino lässt sich nicht abschrecken und erreicht die Erde in acht Minuten. (Samuel Velasco / 5W Infografiken) 
Kanadas Sudbury Neutrino Observatory bestätigte, dass ein Neutrino seine Identität ändern kann. (SNO) 
Die Physiker des Brookhaven National Laboratory in New York, die hier im STAR-Detektor des Labors gezeigt werden, hoffen, einen Neutrinostrahl unter der Erde zur Mine Homestake in South Dakota abschießen zu können. (BNL) 
Der MINOS-Neutrinodetektor in Minnesota ist das Ziel von Strahlen von Neutrinos, die aus Illinois geschossen wurden. (Fermilab Visual Media Services) 
Das KATRIN-Spektrometer, das die Masse des Neutrinos misst und auf dem Weg zu einem Labor durch Leopoldshafen gedrückt wird. (Karlsruher Institut für Technologie) 
Der IceCube-Neutrinodetektor in der Antarktis ist im Eis eingebettet. Mit 5.000 Sensoren, die an mehr als 70 Leitungen angeschlossen sind, sucht IceCube nach Neutrinos, die mehr als 13.000 Kilometer durch den Planeten gefahren sind. (Universität von Wisconsin-Madison) 
Eine Reihe von Sensoren taucht in ein 8000 Fuß tiefes Loch ab. (Jim Haugen / National Science Foundation)
