Rudolf Mößbauer (1982) - The world is full of neutrinos (German presentation)

Rudolf Mößbauer received his Nobel Prize in 1961, only three years after he reported on what was later known as recoilless nuclear resonance fluorescence – or the Mößbauer effect in short. With an age of 32 at the time of the award, he belongs to the ten youngest Nobel Laureates ever

Dear students, ladies and gentlemen. I would like today … I would like today to talk a little about neutrinos, a topic which has been very much at the focus of interest in physics in recent years. And would like, as someone who comes from Germany, to start with a few historical remarks. I won’t begin with the ancient Greeks, but somewhere around the year 1930 with Wolfgang Pauli, who is really the inventor of the neutrino. Inventor in the best sense of the word, at the time it was just a stopgap which later turned out to be correct. Let me quickly outline the problems that faced us in the 1930s. Radioactive beta decay had been observed, in which a nucleus of atomic number Z emits an electron and is transmuted into a new nucleus of atomic number Z+1. Since the original and the final nucleus are both characterised by a well-defined energy, one should assume that the electron, apart from its own mass, carries this energy difference, in other words that the emitted electron would have a sharply defined energy. But that was not the case, it was known at that time that the electron spectrum did not have a sharply defined energy, but that it was a whole spectrum ranging up to a maximal energy which corresponded with the expected sharply defined energy. That was a puzzle, understanding this spectrum, because it really looked as though the conservation of energy no longer applied, and in fact no less than Niels Bohr showed himself prepared to sacrifice the law of the conservation of energy in this special case. Wolfgang Pauli did not think much of this at all and he racked his brains a lot, and I would like perhaps to quote a letter which he wrote at the time, also to show the students something, that scientific progress mostly consists of false starts, retreats and a zigzag course, and that we only occasionally have the luck to find, or, I would almost say, to guess the right one. Wolfgang Pauli initially had assumed that, besides this electron here, something else was also emitted, that is a normal gamma quantum, and he believed that it had been overlooked in the experiment and he expressed himself on this in the following way, and I now quote from a letter that he wrote to Klein in February 1929. So, I quote: that gamma rays must be the cause of the continuous spectrum of the beta rays, and that Niels Bohr is completely on the wrong track with his remarks in this connection about a violation of the conservation of energy. I also believe that the experimenters who measured the energy made some kind of mistake and that they have so far missed the gamma rays simply as a result of their lack of skill. But I understand experimental physics too little to be able to prove this view and so Bohr is in the pleasant position, for him, to exploit my general helplessness in the discussion of experiments; he can invoke Cambridge authorities, incidentally without bibliographical references, and is able to fool himself and us however he likes.“ So much for the quote from Wolfgang Pauli. Now, in the following year Wolfgang Pauli had gained a little more faith in the assertions of the experimenters, who said they simply did not see any gamma rays, and then he invented the neutrino. Invented in the sense that he said that, besides the electron, another particle is emitted, a particle which he initially named the neutron. Later the neutron was used for something else and it was then called the neutrino, from the Italian for “little neutron”. So this neutrino was, so to speak, invented to save energy conservation, and this invention later turned out in practice to be right. But it still took until the year 1956 before Reines and Cowan provided direct evidence that this neutrino exists, in a direct experiment, in a direct experimental reaction that I have written down for you here and that I will discuss still further. Reines simply fired electron-neutrinos – this slash means antineutrinos, that is not so important now – at protons and then produced a neutron and a positron and showed, using the evidence of these two particles, there really is such a thing, such a thing as a neutrino exists. Today we believe we know three sorts of neutrinos, the electron-neutrinos, the muon-neutrinos and probably also the tau-neutrinos. The tau has already been seen, the associated neutrino not really yet, but we do believe that it exists. Neutrinos have, as I said earlier, a great significance at the moment in physics and I have briefly assembled the principal reasons for this here. First of all, they are very interesting, since they are solely subject to what is known as the weak interaction. Almost everything that we measure in physics today is subject either to the strong interaction, the interaction which is responsible for the stability of atomic nuclei, or at least the somewhat weaker electromagnetic interaction, whenever charges are involved then there is an electromagnetic interaction. These are very strong interactions compared with what is known as the weak interaction which is responsible for this radioactive decay up here and which one normally cannot see because the strong interactions I mentioned overshadow it completely. Only with the neutrinos is it the case that these other interactions are not there and that we can then study the weak interaction in isolation. A second important reason that we are so interested in neutrinos in these years is that the neutrinos are responsible for the reactions which take place in the Sun, that they are essential for these reactions. In the Sun, protons, hydrogen nuclei, are somehow fused together and you finally end up with helium. This kind of fusion of protons, which includes a transformation of protons into neutrons, only works if neutrinos exist. This means that our existence is ultimately dependent on the existence of neutrinos. Further reasons are that after the great successes that Glashow, Weinberg and Salam had a few years ago, efforts are being made today to unify the weak, excuse me, the electromagnetic interaction with this weak interaction. Efforts are now being made to extend this schema and place the strong interaction under a common roof with these other two interactions. Here, too, the neutrinos could play an important role, insofar as a mass scale plays a role with these unifying principles, a role about which we know very little for certain even today. That focuses attention on the problem of what mass the neutrinos have, if they have one at all, and if so, which. And finally, really briefly to conclude, the astrophysicists and the cosmologists, in particular the astrophysicists are very interested in the neutrinos because they could help them to solve and to understand a whole range of problems which are causing them great difficulties at the moment. There is not only the problem whether our universe is an open or closed one, we of course assume, as we just heard in Herr Alfvèn’s talk, that our universe is expanding, but we do not know whether that is so forever, or if it expands at a decreasing rate, if it finally slows down so much that it turns around and then, so to speak, contracts again. Something like that would require sufficient mass to be present in this universe. We can make a whole range of statements about the masses, we can deduce them, the so-called visible masses which we see today are not sufficient to make the universe into a closed one. But it could still be that there are very many neutrinos present, which I will come back to later. And that these neutrinos have sufficient mass and the universe could be a closed one. Perhaps a more aesthetically satisfying aspect, but otherwise perhaps not so enormously important. A much more important aspect is that there is a whole range of indications in astrophysics that a large amount of hidden mass is present in the universe. Mass that we do not see. There is a whole range of phenomena, I just want to mention, for example, that the clusters of galaxies, this accumulation of galaxies, is hard to understand, what holds the whole thing together. How gravitation can hold it together, there is not enough mass present there in what we can see. One supposes that very much more mass must be present, which we don’t see. And this mass in turn could, that would be the simplest possibility, be present e.g. in neutrinos, and neutrinos would then be of decisive significance for the understanding of this phenomenon. There is a whole range of further astrophysical clues about such hidden masses, and there are many people who would like to attribute this hidden mass to the neutrinos. Now let me say a few words about the neutrino sources we have available today, we want after all to perform experiments, in the end we have to prove what we may be supporting here as a hypothesis, prove experimentally and for this we need neutrino sources for our measurements. One of our most important neutrino sources, one of our most interesting neutrino sources, as I have already mentioned, is the Sun. In the Sun, fusion processes take place, like the fusion of protons, the transmutation of protons into neutrons, we need neutrinos for that. And since we assume that all the Sun energy which we receive here essentially relies on such fusion processes, these neutrinos must participate in this, and these neutrinos, of course, come to us here on Earth. They have such a weak interaction that they don’t see the Earth at all, they go in at the front and out again at the back. Almost nothing happens there, the Earth hardly exists for this weak interaction of the neutrinos, but one can still, if one has a sufficiently larger number, and the numbers really are large, 6 times 10 to the power 10 per cm^2 and second, just from this actual fusion process extraordinarily high numbers of neutrinos. One can, in principle, measure them with very sensitive detectors. I have written down for you here two groups of neutrinos. One corresponding to the main fusion reaction and another group which comes from a small side reaction, but which has the advantage that it delivers neutrinos of very high energy, 14 MeV, with very much lower fluxes, nearly 10,000 times lower that this main chain. This little side chain is still very interesting at the moment since it is the chain which can be measured with terrestrial methods. These are the famous experiments of Davis and colleagues with headquarters in Brookhaven, and which were performed in a deep mine in the USA, and where the attempt was made to measure this solar neutrino flux which actually supplies us with the only direct expression of what goes on in the internals of the Sun, we only see the external Sun after all when we observe it optically. So the attempt was made to measure this solar neutrino flux, in order to see whether our ideas are correct about what is happening in the interior of the Sun and it is one of the really great puzzles at the moment that this flux was not found. The flux that is found is a factor of at least 3 lower than what was expected, and recently it almost looks, and of course that all has to be experimentally much more exactly checked, as though everything that is measured may be explicable with underground measurements. That is really a great puzzle and it would really be a catastrophe if this flux would not be there, or if we don't understand why it is not there. There are then all sorts of other possible excuses. I will have something to say about one of these excuses. It would be a catastrophe if this flux were not there, since that would then mean that we don't understand how the Sun produces its energy. We believe that we understand this very, very well. But as I said, we have to be sceptical, and one of the great puzzles is this missing solar neutrino flux, at the moment. There are new efforts, in part German laboratories are also involved here, to address this low energy area here, these are very expensive experiments, the BMFT is already groaning about it. Experiments, which are planned to be performed in a few years’ time with the help of gallium. There the thresholds for the reactions are very much lower and one can hope to study these reactions. Very expensive experiments, but extremely important experiments, for this missing solar neutrino flux is one of the really great puzzles that we have to live with at present. It is highly probable that a further large source of neutrinos is those remaining from the Big Bang which many people believe in. Our world came into being in a Big Bang, originally these neutrinos, which were in equilibrium at this Big Bang with the other particles at very high temperatures, were present in large numbers, and then, as the temperature moderated, fell, because the whole thing had expanded, they were no longer in equilibrium, but they should still be here today, with very low energies, but in very large numbers. We assume, we have not seen them so far, we assume that there are around 500 photons per cm³ here on the Earth, in the whole universe on average. That has been measured. One assumes that about the same number of neutrinos is present per cm³, a little bit less for reasons of statistics. So you can see that the world is full of neutrinos, around 400 such neutrinos per cm³ from this Big Bang with very low energies, but from the Sun too come gigantic numbers of neutrinos which pass through us continually from all sides. The environmental lobby has not yet noticed this and so they have not yet done anything about it. Now something about the artificial sources of neutrinos. Here is the most important source of neutrinos, the nuclear reactor. The fusion – not the fusion reactor, the fission reactor - which sends us so-called electrons antineutrinos, whether they are anti- or neutrinos, that is a matter of definition. In this case, as it is defined, here they are antineutrinos, with energies of a few MeV and quite remarkable fluxes. The flux strengths which I have quoted here are realistic insofar as I provide them at the location of the experiment. One obtains many powers of 10 higher fluxes if one goes to the centre of a nuclear reactor, but one cannot survive there, neither can our apparatus, in the places where we can station detectors there are fluxes of this order of magnitude, and you can see that is much more than what comes from the other sources. Then there are also accelerators, meson factories etc. which supply such neutrinos with higher energies, but considerably lower fluxes. First of all I will talk about the neutrinos produced in nuclear fission reactors and which, as I said, are completely harmless for our human health, as far as we know – the Earth is absolutely transparent and we of course, since we are puny in comparison with the diameter of the Earth, are all the more transparent for these neutrinos. It is extraordinarily difficult to prove their existence. The only hope is to detect them in the laboratory because their number is so extraordinarily high. Now I have already indicated several times the important aspect of the mass, the rest mass of the neutrinos, and would like to say a few words on what we know about that. Physics has lived quite happily for around 40 years with the opinion that the rest mass of the neutrino is zero. There were, in other words, no experiments that contradicted this, and the theoreticians appreciated it very much to include the zero rest mass in their theorems, since the theories were thus extraordinarily simplified. Now, critical, as we must be as physicists, in recent years, also for the reasons that I mentioned earlier, the idea arose that there is actually no good reason for the rest mass to be zero. At least there would have to be a new principle there which we do not understand, and one should therefore measure what the rest mass of this neutrino is. Now, nobody had been able to date really to measure this neutrino mass. I can only give you limits here. We know that that the mass of an electron-neutrino is something less than 35 electron-volts, how small it really is, no one knows. The muon neutrinos are lower than 510 KeV, and the tau neutrinos are lower than 250 MeV. You can see that these are enormous energies we are talking about here, and about which one can in principle say nothing at all. Again, because this weak interaction is so incredibly weak, because these neutrinos manifest themselves so enormously badly. The reason why it is so difficult to measure these masses is that the kinetic energies with which we normally work, especially with the electron neutrinos, are extraordinarily high compared with the rest mass, if there is one, and that this small fraction here is very difficult to measure next to this large fraction. There is a Russian measurement by Tretyakov and colleagues who believe they have seen the neutrino mass, they give values for the electron neutrino mass of between 14 and 46 electron-volts. But this experiment is a single experiment, it should definitely be verified by other laboratories or also by the same group. It is very difficult to make definite statements here, whether solid state effects might not be influencing matters and playing a dirty trick here, before these masses have been measured on a range of solid bodies. With the use of various solid bodies it is really too early to say that this is a valid measurement. Finally I should mention that the cosmologists provide limits on the mass of neutrinos. They say the sum of all neutrino masses of the different types should be less than about 50 electron-volts. Then there is also the possibility that very heavy neutrinos exist, but they would probably not be very long-lived. All that is still very much open, in any case that is a limit which the cosmologists believe in, and some of us more or less, that it is correct. So one has to look below this range if one wishes to find neutrino masses. Now there is an interesting possibility, first pointed out by Pontecorvo and a Japanese group, which is that the neutrinos we produce in the laboratory with beta decay, that these neutrinos are not single states of the weak interaction, in the context of which they were produced, but that these neutrinos may have more fundamental neutrinos behind them, in other words that the neutrinos produced in the context of the weak interaction are not stable, but can transform themselves into each other. That would lead to the possibility of so-called neutrino oscillations, and we have in fact conducted experiments in this direction, started a search for such oscillations in recent years. That would mean that neutrinos, say electron neutrinos, which are produced, in the course of time, as they fly, with practically the speed of light, transform into muon neutrinos and then e.g., that is a particularly simple two-neutrino model here, change back into electron neutrinos, back into muon neutrinos, that such neutrino oscillations take place. In concrete terms, that means that if I have a fission reactor here in the centre of my circle producing electron neutrinos or antineutrinos for me, and they shoot out in some direction or other, in all directions of course, e.g. in this one, then, after a particular time of flight or distance of flight, say at this red position, they would transform into muon neutrinos. Somewhat later they would again be electron neutrinos, a bit later again they would be muon neutrinos and so on and so forth. Thus you have such oscillations here, along this region here. And if you set up a detector here, that e.g. only reacts to the green sort, then you would find such neutrinos here, here you see nothing, here again you find these neutrinos, so you would observe an oscillation in intensity in this detector and therefore be able to establish the existence of these neutrinos directly. Now, what can we learn from such oscillations? What we in principle can learn from that is whether these oscillations appear at all, that means whether these neutrinos of the various types can transform into each other at all, whether they are mixed and I can express this mixing with what is known as a mixing angle, that is one quantity, and we also learn something about this neutrino mass, since the length of these oscillations depends, as can be shown quite simply, I don't have the time for this here, on the mass, more precisely on the difference in mass of the neutrinos involved. So if I assume I have, say, an oscillation between electron and muon neutrinos, then this involves the difference of mass between electron and muon neutrinos, or the fundamental neutrinos behind them. So I can learn something about the neutrino masses and I can learn something about the mixing of these neutrinos. Now, we have been performing such experiments for several years, firstly in an experiment, which was an American-French-German cooperation at the research reactor of the Institut Laue-Langevin in Grenoble. We took measurements at a fixed distance of 8.76 m from the reactor and essentially studied the energy dependence of our neutrinos, so we absorbed neutrinos and had a look to see whether this absorption behaved the same at all energies or whether it is energy-dependent. If it is energy-dependent, that would suggest neutrino oscillations. We now have, in the meantime, I told you three years ago that we planned this experiment, this experiment has now been carried out, a second experiment in turn has also been completed, an American-Swiss-German joint project at the power reactor of the nuclear power station in Gösgen in Switzerland where we carried out a new oscillation experiment at a distance of about 38 m, and I would like to tell you a few details of this experiment just so as to give you a feel for how such experiments run in detail. We use this reaction that I have already mentioned, that we fire electron antineutrinos at protons. So we have a detector which contains very many hydrogen nuclei. In our case it is a liquid which contains a lot of hydrogen and which serves us both as a detector and also as evidence for the neutrinos received, so the protons undergo these reactions, they are transformed here into neutrons and positrons and we measure these two particles together in coincidence, that is in both temporal as well as spatial coincidence. In temporal coincidence, in the sense that they have to appear simultaneously if this reaction occurs at all, that is when we observe neutrinos. And in spatial coincidence, that helps us to solve our substantial underground problems. Because although we have very high neutrino rates, it is only very occasionally that one is caught, so we get very low count rates and you can imagine that it is very difficult with such low count rates to fight against all the other processes which of course occur. You always have natural radioactivity from the environment, not from the nuclear reactor, that provides us with nothing at all, but from our detector itself; radiation comes from the glass in the multipliers, radiation comes out of the concrete walls which we use for shielding, and of course radiation pours down on us from space, cosmic radiation, one has to fight against all that, and that is served by this location-sensitive evidence which I am outlining here. Now, I don’t want to bother you with all the details, I just want to mention briefly once more that the oscillation which I have written up formally here, that is a simple function here, this cosine term is significant, a trigonometric function. It depends firstly on the energy of the neutrinos, as I said, if we had no neutrino oscillation it should not be dependent on the energy. Then it depends on the distance, then it depends on this mass difference which I mentioned and which I have written down exactly here, Delta^2. This quantity which occurs here in the argument of the trigonometric function, depends on the masses M1 and M2 of the two neutrinos which I refer to in the square expression as I have written it here, and finally then the mixing angle is involved. You can see immediately that when the mixing angle is zero then there is no neutrino oscillation, that the whole expression here is zero and then 1 comes out quite simply. That means that nothing at all happens, neither as a function of the distance nor as a function of the energy does anything at all appear. But when a mixing angle is present, that is when the phenomenon of oscillations exists, then an oscillation term appears and from the length of this oscillation, from the argument of the trigonometric function we obtain information about this quantity Delta^2, about this square of the mass difference of the neutrinos, which we are interested in. Now, how does that look in practice? Such a detector looks very roughly like this sketch of mine here. We have here 30 such white boxes, they are the proton counters, the whole thing is roughly the inner counter, say 1m by 1m by 1m. So we have 30 such proton counters in which the neutrinos which come from the reactor, which come from somewhere outside here and arrive here, occasionally experience a transformation, react with a proton and produce a neutron and a positron. And we have to now detect this neutron and this positron. We detect the positron directly in these counters, there photomultipliers just sit at the end, the flashes of light which the positron makes in this scintillation counter, in the scintillation liquid which he have in here, are detected and they give us direct evidence of the positron. And the neutrons which are thereby produced, they come over here in these big helium-3 chambers marked in yellow, in which they are detected by neutron capture. This means that we detect the positron here, we detect the neutron here, and if the two occur simultaneously or practically simultaneously then we know that a real neutrino absorption event has occurred with high probability. The rest of this apparatus, and that is the greater part, that consists of what are known as anti-coincidence counters, which tell us that something wrong is coming from outside, some particle from cosmic radiation, we can then exclude that, then we don’t count it. Then there also a lot of other things here which I don't want to go into. The decisive thing is that we have many metres of concrete around the whole thing. The whole detector weighs around 1000 t, so they are large items of apparatus. In fact the Swiss Army helped us to drive this 1000 t around the area because we are not in a position ourselves to do this without help and we are not keen on spending our limited research funding on the transport of concrete. Now perhaps I will show you this inner counter once again more exactly, how it looks in detail. Here you see once more an enlarged view of the inside, you can see these 30 counters here, here the covers are removed in some cases, those are the photomultipliers which sit in front and behind these counters, and allow us to detect the light impulses, here in between, yellow, are these big helium-3 chambers, we put 400 l of the very rare isotope helium-3 in our detector. Now I would like to show you the results very briefly. What you see here is up above the count rate, this upper curve, recording the count rate per hour. You see, we have typically about 2 per hour here as a function of the neutrino energy or the positron energy which is directly linked with the neutrino energy. You see this upper curve here for the case that the reactor was in operation. We spent about half a year measuring this curve. You see that one needs time with this low count rate, and here below you see the curve we get when the reactor is switched off. That means they are so to say undesired side-events which we have to subtract from the desired events here above. I may be allowed to mention on the side that it was very difficult for this curve here below, we could only make measurements for about 4 weeks on this lower curve, these power reactors in the generating stations have the unpleasant characteristic that they are always in operation and are very rarely switched off. As a physicist, one would rather have reactors which run half the time so that one can measure this curve, and are switched off half the time, so that one can measure this curve. But one must of course subordinate oneself to the conditions which really exist. Now, the difference of these two curves here is that what you see recorded here below, that is the real spectrum and a curve is also drawn here which is not something like a fit to these experimental data, but is the curve that we would have had to expect if we had no neutrino oscillations. So all deviations between this continuous curve and our experimental data, and you can see a little bit here and maybe there, with a lot of imagination, all this would indicate oscillations. What we can state in this case is not masses, we saw no neutrino oscillations in the framework of the statistics that we applied, I will justify that in a moment, but we can state limits for these masses, and that is shown in this figure here, they are the latest, not yet published data where I can state the most accurate limits for the neutrino masses and the mixing angle. What you see here, and that is the green curve, in fact the continuous curve drawn on the right hand edge of the green curve, that is the so-called 90% confidence level for the exclusion of neutrino oscillations. And what is excluded is the whole right-hand area, to the right of this curve, and permitted, on the basis of 90% confidence, is what lies to the left of this curve. Displayed here is up above, this Delta^2, this squared mass difference of the neutrinos, and to the right the mixing angle. So here mixing angle zero and here complete mixing on this side. You see that a further region here is excluded, but everything here that remains to the left of this curve, in the left area, that is the region where neutrino oscillations and thus neutrino masses and neutrino mixing angles are still possible as before. We are now involved in extending these measurements to still greater distances. Here our goal is firstly to examine in more detail this region here, which I will have something more to say about soon, and in particular to go still further downwards here below. That means, if neutrino masses are there, with relatively high values, that is in the region of eV as the cosmologists and astrophysicists would have it, then such masses could only appear with extremely small mixing angles, that is with mixing angles which are clearly smaller than the angle that we like to use today in high energy physics, the Cabibbo angle and the Weinberg angle, which are both a little greater than 0.2. So we are already below this angle in this region here. Of course there is no reason why this mixing angle should agree with this other angle here, but still one thinks a bit in this direction, maybe it is a gift that they are of this order of magnitude. But that is not the case; here they are already, as you can see, below this region. So we can already extrapolate up to arbitrary masses. We can do that because here in these high masses, in this high mass region our oscillation term is averaged out, and that is e.g. one of the hopes which one has to explain the absent solar neutrino flux. It could in fact be that the neutrinos which come to us from the Sun undergo oscillations, that they transform into other kinds of neutrinos, that the electron neutrinos from the Sun may become muon neutrinos and tau neutrinos and the whole thing is mixed up, so that then, when it is roughly equally mixed - and one would assume that, if the oscillation lengths are small compared with the distance from the Sun to the Earth – that we can then assume, if we have three types of neutrinos, that each type accounts for about 1/3 of the intensity, and that would be about what we are measuring at the moment. But that is still very strong wishful thinking, I would say, that must still be verified much more precisely. In any case, in this left region here oscillations are still possible, in this right-hand area they are excluded, here below with really small neutrino masses, and there could of course be some, it could be the case that the neutrinos have this small mass, there they are still fully compatible with all mixing angles. Now I would like to show you, perhaps without going into numerical detail, another picture which caused a bit of excitement about a year ago. And here I show you the same curve again which you just saw in green, in lilac here, and simultaneously I show you measurements here which were made by Reines and his colleagues, very famous measurements, in which neutral and charged flux reactions were carried out with the help of neutrinos on the example of the deuteron, and in which these measurements were interpreted under the assumption that neutrino oscillations exist. Here it is the case that the permitted region is to the left with us, here the permissible regions is to the right. Here you can 90% confidence curve from Reines, to the right you can see the 90% confidence curve of our experiment, here there is no overlap of these curves, which means that the two experiments, at least on the 90% basis, and that can be extended further, in clear contradiction to each other. So we and our experiments do not agree with the assertions of this American group. Now, finally, a last summary of those data which we obtained at the nuclear reactor in Gösgen. It shows you very nicely the difference of distance and also of reactors. I show you again here in blue what you have already seen in other colours, that is our measurements which we carried out in Switzerland, at the Swiss power reactor, and at the same time I show you here in red, once more…

Liebe Studenten, meine sehr verehrten Damen und Herren. Ich möchte heute … Ich möchte heute einiges über Neutrinos erzählen, ein Gebiet, was in den letzten Jahren sehr in den Brennpunkt des physikalischen Interesses gerückt ist. Und möchte da, weil ich aus Deutschland komme, mit einigen historischen Bemerkungen beginnen. Ich fang’ nicht bei den alten Griechen an, sondern etwa um das Jahr 1930 bei Wolfgang Pauli, der eigentlich der Erfinder der Neutrinos ist. Erfinder im besten Sinne des Wortes, es war damals eine Notlösung, die sich später als richtig herausgestellt hat. Lassen Sie mich ganz kurz die Problematik, die in den 30er Jahren vorlag, schildern. Man hatte den radioaktiven Beta-Zerfall gesehen, bei dem ein Atomkern mit der Ordnungszahl Z und der Emission eines Elektrons in einen neuen Atomkern mit der Ordnungszahl Z+1 übergeht. Da der Anfangskern und der Endkern beide durch eine wohldefinierte Energie ausgezeichnet sind, sollte man annehmen, dass das Elektron dann eben, abgesehen von seiner eigenen Masse, diese Energiedifferenz mitbringt, dass also eine scharfe Energie des rauskommenden Elektrons beobachtet wird. Dem war jedoch nicht so, man wusste zu dieser Zeit, dass das Elektronenspektrum nicht eine scharfe Energie hatte, sondern dass es ein ganzes Spektrum war, bis herauf zu einer maximalen Energie, die dieser scharfen erwarteten Energie entsprach. Das war ein Rätsel, dieses Spektrum zu verstehen, denn es sah ja so aus, als wenn der Energiesatz nicht mehr gültig wäre, und in der Tat hat kein geringerer als Niels Bohr damals die Bereitschaft gezeigt, diesen Energiesatz in diesem speziellen Fall zu opfern. Wolfgang Pauli schätzte das gar nicht und er hat sich viel den Kopf zerbrochen und ich möchte vielleicht einen Brief zitieren, den er damals geschrieben hat, um auch den Studenten etwas zu zeigen, dass wissenschaftliche Entwicklung meistens aus Fehlschlägen, Rückschlägen und einem Zickzack-Kurs besteht und dass wir nur gelegentlich das Glück haben, mal das richtige, ich möchte fast sagen, zu erraten oder zu finden. Wolfgang Pauli hat nämlich zunächst einmal angenommen, dass außer diesem Elektron hier, noch etwas anderes emittiert wird, und zwar einfach ein gewöhnliches Gammaquant und er glaubte, das habe man einfach zunächst experimentell noch nicht gesehen und er äußerte sich diesbezüglich in folgender Weise, und ich zitiere jetzt aus einem Brief, den er an Klein im Februar 1929 geschrieben hat. Ich zitiere also jetzt: dass Gammastrahlen die Ursache des kontinuierlichen Spektrums der Betastrahlen sein müssen, und dass Niels Bohr mit seinen diesbezüglichen Betrachtungen über eine Verletzung des Energiesatzes auf vollkommen falscher Fährte ist. Auch glaube ich, dass die wärmemessenden Experimentatoren irgendwie dabei mogeln und die Gammastrahlen ihnen nur in Folge ihrer Ungeschicklichkeit bisher entgangen sind. Aber ich verstehe zu wenig von Experimentalphysik, um diese Ansicht beweisen zu können und so ist Bohr in der für ihn angenehmen Lage, unter Ausnutzung meiner allgemeinen Hilflosigkeit bei der Diskussion von Experimenten sich selber und mir unter Berufung auf Cambridgescher Autoritäten, übrigens ohne Literaturangabe, da etwas Beliebiges vormachen zu können.“ Soweit also das Zitat von Wolfgang Pauli. Nun, Wolfgang Pauli hat dann im folgenden Jahr etwas mehr Zutrauen zu den Aussagen der Experimentatoren gefasst, die gesagt haben, wir sehen einfach keine Gammastrahlen und hat dann das Neutrino erfunden. Erfunden in dem Sinn, dass er sagte, außer dem Elektron hier wird noch ein Teilchen ausgesandt, ein Teilchen, was er zunächst Neutron nannte. Man hat dann später das Neutron für was anderes verwendet und nannte das dann Neutrino, aus dem Italienischen, das „kleine Neutron“. Also dieses Neutrino wurde sozusagen erfunden, um den Energiesatz zu retten, und diese Erfindung hat sich dann später in der Tat als richtig herausgestellt. Aber es dauerte immerhin bis zum Jahr 1956, bis es Reines und Cowan gelang, in einem direkten Experiment, in einer direkten experimentellen Reaktion, die ich Ihnen hier aufgeschrieben habe und die ich noch mehr diskutieren werde, den direkten Beweis zu erbringen, dieses Neutrino existiert. Reines hat einfach Elektronen, Neutrinos - dieser Querstrich bedeutet Antineutrinos, das ist jetzt nicht so wichtig – auf Protonen geschossen und hat dann ein Neutron und ein Positron erzeugt und hat eben durch den Nachweis dieser beiden Teilchen gezeigt, so etwas gibt es wirklich, so ein Neutrino existiert. Heute glauben wir, drei Sorten von Neutrinos zu kennen, die Elektron-Neutrinos, die Myon-Neutrinos und wahrscheinlich auch die Tauon-Neutrinos. Das Tauon hat man bereits gesehen, das zugehörige Neutrino noch nicht so richtig, aber man glaubt wohl, dass es existiert. Die Neutrinos haben, wie ich vorher schon sagte, eine große Bedeutung im Augenblick in der Physik und ich habe hier mal kurz die wesentlichen Gründe dafür zusammengestellt. Einmal sind sie sehr interessant, weil sie ausschließlich der sogenannten schwachen Wechselwirkung unterliegen. Fast alles, was wir heutzutage in der Physik messen, das unterliegt entweder der starken Wechselwirkung, jener Wechselwirkung, die für die Zusammenhaltung der Atomkerne wesentlich ist, oder aber zumindest der etwas schwächeren elektromagnetischen Wechselwirkung, wenn immer Ladungen damit verbunden sind, dann gibt es eine elektromagnetische Wechselwirkung. Diese sind sehr starke Wechselwirkungen im Vergleich zu der sogenannten schwachen Wechselwirkung, die für diesen radioaktiven Zerfall hier oben verantwortlich ist und die man normalerweise nicht sehen kann, weil eben diese stärkeren genannten Wechselwirkungen sie völlig überdecken. Nur bei den Neutrinos ist es so, dass diese anderen Wechselwirkungen nicht da sind und dass wir dann die schwache Wechselwirkung in Reinkultur studieren können. Ein zweiter wesentlicher Grund, warum wir uns so für Neutrinos in diesen Jahren interessieren, ist, dass die Neutrinos für die Reaktionen verantwortlich sind, die sich in der Sonne abspielen, dass sie wesentlich sind für diese Reaktionen. In der Sonne werden ja irgendwie Protonen, Wasserstoffkerne verschmolzen und man landet schließlich beim Helium. So eine Verschmelzung von Protonen, die eine Umwandlung von Protonen in Neutronen beinhaltet, geht nur, wenn es Neutrinos gibt. Das heißt, unsere Existenz beruht also letzten Endes auf der Existenz von Neutrinos. Weitere Gründe sind, dass man sich heute bemüht, nach den großen Erfolgen, die vor einigen Jahren Glashow, Weinberg und Salam hatten, die schwache, verzeihen Sie, die elektromagnetische Wechselwirkung mit dieser schwachen Wechselwirkung zu vereinen. Man bemüht sich nun, dieses Schema auszudehnen und auch die starke Wechselwirkung unter einen einheitlichen Hut mit diesen anderen beiden Wechselwirkungen zu bekommen. Auch hierbei dürften die Neutrinos eine große Rolle spielen, insofern als eine Massenskala bei diesen Vereinigungsprinzipien eine Rolle spielt, über die man heute noch ganz wenig und verschwommenes weiß. Das fokussiert die Aufmerksamkeit auf das Problem, welche Masse haben die Neutrinos, haben sie überhaupt eine, und wenn ja, welche. Und schließlich ganz kurz noch zum Schluss, die Astrophysiker und die Kosmologen, vor allem die Astrophysiker sind sehr an den Neutrinos interessiert, denn sie könnten ihnen helfen eine ganze Reihe von Problemen zu lösen und zu verstehen, die ihnen im Augenblick große Schwierigkeiten machen. Da ist nicht nur das Problem, ob unser Weltall, unser Universum ein offenes oder ein geschlossenes ist, wir nehmen ja an, wie wir gerade im Vortrag von Herrn Alfvèn noch mal gesehen haben, dass unser Universum expandiert, aber wir wissen nicht, ob das für immer so ist, oder ob es expandiert in verlangsamter Weise, ob es sich schließlich so weit verlangsamt, dass es wieder umkehrt, und sich dann sozusagen wieder zusammenzieht. So etwas würde voraussetzen, dass genügend viel Masse in diesem Universum vorhanden ist. Wir können eine ganze Reihe von Aussagen über die Massen machen, wir können sie ableiten, die sogenannten sichtbaren Massen, die wir heute sehen, reichen nicht aus, um das Universum zu einem geschlossenen zu machen. Aber es könnte ja sein, dass sehr viele Neutrinos vorhanden sind, darüber werde ich noch reden. Und dass diese Neutrinos genügend viel Masse tragen und dann könnte das Universum ein geschlossenes sein. Ein vielleicht ästhetisch befriedigender, aber sonst nicht vielleicht so wahnsinnig wichtiger Aspekt. Ein viel wichtigerer Aspekt ist, dass es eine ganze Reihe von Indizien gibt in der Astrophysik, dass eine große Menge an verborgener Masse im Universum vorhanden ist. Masse, die wir nicht sehen. Es gibt eine ganze Reihe von Erscheinungen, ich will z.B. nur erwähnen, dass die Clusters von Galaxien, diese Anhäufung von Galaxien, schwer verständlich ist, wie das Ganze zusammenhält. Wie die Gravitation das zusammenhalten kann, da ist nicht genügend Masse an dem, was wir sehen, vorhanden. Man vermutet, da muss noch sehr viel mehr Masse sein, die wir nicht sehen. Und diese Masse wiederum könnte, das wäre die einfachste Möglichkeit, z.B. in Neutrinos stecken, und Neutrinos wären dann für das Verständnis dieser Phänomene von entscheidender Bedeutung. Es gibt eine ganze Reihe weiterer astrophysikalischer Hinweise über solche verborgenen Massen, und es gibt viele Leute, die diese verborgene Masse gern den Neutrinos in die Schuhe schieben. Nun lassen Sie mich ein paar Worte sagen über was wir heute für Neutrinoquellen zur Verfügung haben, wir wollen ja experimentieren, wir müssen ja letzten Endes beweisen, das was wir hier als These vielleicht vertreten, im Experiment beweisen und müssen damit Neutrinoquellen haben, an denen wir messen können . Eine unsere wichtigsten Neutrinoquellen, eine unserer interessantesten Neutrinoquellen ist, wie ich schon erwähnt habe, die Sonne. In der Sonne spielen sich Fusionsprozesse ab, die Verschmelzung von Protonen etwa, die Umwandlung von Protonen in Neutronen, dazu brauchen wir Neutrinos. Und nachdem wir annehmen, dass die ganz Sonnenenergie, die wir hier bekommen, im Wesentlichen auf solchen Fusionsprozessen beruht, müssen diese Neutrinos daran beteiligt sein, und diese Neutrinos kommen natürlich hierher zu uns auf die Erde. Sie haben eine so schwache Wechselwirkung, dass sie die Erde gar nicht sehen, sie gehen vorne rein und hinten wieder raus. Da passiert fast nichts, die Erde ist fast nicht existent, wegen dieser schwachen Wechselwirkung der Neutrinos, aber man kann sie trotzdem, wenn man eine genügend große Zahl hat, und die Zahlen sind recht groß, kommen allein von diesem eigentlichen Fusionsprozess also außerordentlich hohe Zahlen an Neutrinos. Man kann sie im Prinzip mit sehr empfindlichen Detektoren messen. Ich habe Ihnen hier zwei Gruppen von Neutrinos aufgeschrieben. Eine, die der Hauptfusionsreaktion entspricht und eine andere Gruppe, die eine kleine Nebenreaktion beinhaltet, die aber den Vorteil hat, dass sie hohe Energien an Neutrinos liefern, 14 MeV, mit sehr viel geringeren Flüssen, fast 10.000 mal weniger wie diese Hauptkette. Trotzdem ist diese kleine Nebenkette im Augenblick sehr interessant, denn es ist die Kette, die man messen kann, mit terrestrischen Methoden. Es sind die berühmten Experimente von Davis und Mitarbeiter mit Hauptquartier in Brookhaven, die in einer tiefen Mine in den USA durchgeführt werden, und wo man versucht hat, diesen solaren Neutrinofluss, der uns also eigentlich die einzige Aussage liefert über direkt, was im Inneren der Sonne vor sich geht, wir sehen ja nur die äußere Sonne, wenn wir sie optisch ansehen. Man hat also versucht, diesen solaren Neutrinofluss zu messen, um zu sehen, ob das stimmt, was wir glauben, was im Inneren der Sonne sich abspielt und es ist eines der ganz großen Rätsel im Augenblick, dass man diesen Fluss nicht gefunden hat. Der Fluss, den man findet ist mindestens einen Faktor 3 niedriger, als das, was man erwartet und in letzter Zeit sieht es fast so aus, und das muss natürlich experimentell alles noch sehr viel genauer überprüft werden, als wenn alles, was man misst unter Umständen mit Untergrundmessungen zu erklären ist. Das ist ein ganz großes Rätsel und es wäre wirklich eine Katastrophe, wenn dieser Fluss nicht da wäre, bzw. wenn wir nicht verstehen, warum er nicht da ist. Da gibt es dann alle möglichen anderen Ausreden unter Umständen. Auf eine dieser Ausreden werde ich dann zu sprechen kommen. Es wäre eine Katastrophe, wenn dieser Fluss nicht da wäre, denn dann würde es heißen, wir verstehen nicht, wie die Sonne ihre Energie produziert. Wir glauben, wir verstehen das sehr, sehr gut. Aber wie gesagt, wir müssen misstrauisch sein, und eines der großen Rätsel ist dieser fehlende solare Neutrinofluss, im Augenblick. Es gibt neue Anstrengungen, auch zum Teil deutsche Laboratorien sind hier beteiligt, jetzt diesen niederenergetischen Bereich hier anzugehen, das sind sehr kostspielige Experimente, das BMFT stöhnt darüber bereits. Experimente, die wohl in einigen Jahren mit Hilfe von Gallium über die Bühne gehen. Man hat dort sehr viel niedrigere Schwellenwerte für die Reaktionen und kann hoffen, diese Reaktionen zu studieren. Sehr kostspielige Experimente, aber außerordentlich wichtige Experimente, denn dieser fehlende solare Neutrinofluss ist eines der ganz großen Rätsel, mit dem wir zur Zeit leben müssen. Eine weitere große Quelle von Neutrinos ist mit größter Wahrscheinlichkeit das was übrig geblieben ist von dem Urknall, an den viele Leute glauben. Unsere Welt ist also in einem Urknall entstanden, ursprünglich waren diese Neutrinos, die bei diesem Urknall im Gleichgewicht waren, mit den anderen Teilchen bei sehr hohen Temperaturen in großer Zahl vorhanden und sie sind dann, wie die Temperatur abgeklungen ist, abgesunken ist, weil sich das Ganze expandiert hat, sind sie aus dem Gleichgewicht ausgestiegen, aber sie sollten heute noch da sein, mit sehr niedrigen Energien, aber mit sehr großen Zahlen. Wir nehmen an, wir haben sie nicht gesehen bis jetzt, wir nehmen an, dass wir etwa 500 Photonen pro cm³ hier auf der Erde, im gesamten Universum im Mittel vorhanden haben. Das hat man gemessen. Man nimmt an, dass etwa die gleiche Zahl, ein kleines bisschen weniger, aus Gründen der Statistik, an Neutrinos ebenfalls pro cm³ vorhanden ist. Sie sehen also, die Welt ist voll von Neutrinos, etwa 400 solcher Neutrinos pro cm³ aus diesem Urknall mit sehr niedrigen Energien, aber auch von der Sonne her kommen außerordentlich hohe Zahlen an Neutrinos, die uns ständig von allen Seiten her durchstrahlen. Die Umweltschützer haben das noch nicht gemerkt und drum haben sie dagegen noch nichts unternommen. Nun etwas zu den künstlichen Quellen an Neutrinos. Hier ist die wichtigste Quelle an Neutrinos, der Kernreaktor. Der Fusions- nicht der Fusionsreaktor, der Spaltungsreaktor, der uns sogenannte Elektronen, Antineutrinos, ob das nun Anti- oder Neutrinos sind, das ist eine Definitionssache. In dem Fall, so wie es definiert ist, sind es hier Antineutrinos, liefert, mit Energien von einigen MeV und ganz beträchtlichen Flüssen. Die Flussstärken, die ich Ihnen hier angegeben habe, sind realistische, insofern, als ich sie Ihnen am Ort des Experiments angebe. Man kriegt noch um viele 10er Potenzen höhere Flüsse, wenn man in das Zentrum eines Kernreaktors geht, aber da kann man sich nicht aufhalten, auch unsere Apparaturen können sich dort nicht aufhalten, da, wo wir also die Detektoren aufstellen können, liegen Flüsse dieser Größenordnung vor, und Sie sehen, das ist noch weit mehr, als was aus den anderen Quellen kommt. Es gibt dann auch noch Beschleuniger, Mesonenfabriken usw., die solche Neutrinos liefern, mit höheren Energien, aber deutlich niedrigeren Flüssen. Ich werde mich vor allem auf die Neutrinos, die in den Kernspaltungsreaktoren produziert werden und die wie gesagt, für unsere menschliche Gesundheit nach allem, was wir wissen, völlig harmlos sind – die Erde ist absolut transparent und wir natürlich, die wir mickrig sind im Vergleich zum Durchmesser der Erde, sind erst recht transparent für diese Neutrinos. Es ist außerordentlich schwer, sie nachzuweisen. Man kann sie nur deswegen hoffen überhaupt im Laboratorium nachzuweisen, weil ihre Zahl so außerordentlich groß ist. Nun habe ich schon mehrmals auf den wesentlichen Gesichtspunkt der Masse, der Ruhemasse der Neutrinos hingewiesen, und möchte ein paar Worte darüber sagen, was wir darüber wissen. Die Physik hat rund 40 Jahre lang sehr gut mit der Auffassung gelebt, die Ruhemasse der Neutrinos ist null. Es gab, mit anderen Worten, kein Experiment, was dem widersprach und die Theoretiker haben das sehr geschätzt, die Ruhemasse null in ihre Theorien einzuführen, denn die Theorien wurden dadurch außerordentlich versimplifiziert. Nun, kritisch, wie wir als Physiker sein müssen, ist man in den letzten Jahren, auch aus den Gründen, die ich vorhin genannt habe, auf die Idee gekommen, das es eigentlich keinen echten Grund gibt, warum die Ruhemasse null ist. Zumindest müsste da ein neues Prinzip dahinter sein, was wir nicht verstehen und man muss also messen, was die Ruhemasse dieser Neutrinos ist. Nun, niemand hat bisher echt diese Neutrino-Masse messen können. Ich kann Ihnen hier nur Grenzen angeben. Wir wissen, dass die Elektron-Neutrino-Masse etwa kleiner als 35 Elektronenvolt ist, wie klein sie dann wirklich ist, weiß man nicht. Die Myonen-Neutrinos sind kleiner als 510 KeV und die Tauon-Neutrinos sind wohl kleiner als 250 MeV. Sie sehen, das sind gewaltige Energien, über die man hier spricht, und über die man im Prinzip überhaupt nichts aussagen kann. Eben wieder, weil diese schwache Wechselwirkung ebenso wahnsinnig schwach ist, weil sich diese Neutrinos so ungeheuer schlecht manifestieren. Der Grund, warum es so schwer ist, diese Massen zu messen, liegt darin, dass die kinetischen Energien, mit denen wir vor allem bei den Elektron-Neutrinos normalerweise arbeiten, eben außerordentlich groß sind gegenüber der Ruhemasse, wenn es eine gibt, und dass man diesen kleinen Anteil eben sehr schwer an diesem großen Anteil messen kann. Es gibt eine russische Messung, von Tretyakov und Mitarbeitern, die glauben, die Neutrinomasse gesehen zu haben, die geben also Werte an für die Elektronen-Neutrino-Masse zwischen 14 und 46 Elektronenvolt. Aber dieses Experiment ist ein einziges Experiment, es muss unbedingt von anderen Laboratorien oder auch von derselben Gruppe verifiziert werden. Es ist sehr schwierig, hier genaue Aussagen zu machen, ob nicht Festkörpereffekte hereinspielen und hier einen bösen Trick spielen, ehe man nicht an verschiedenen Festkörpern diese Massen gemessen hat. Unter Verwendung verschiedener Festkörper ist es wohl noch zu früh, zu sagen, das ist eine echte Messung. Schließlich sollte ich noch sagen, dass die Kosmologen Grenzen angeben für Neutrinomassen. Sie sagen, dass die Summe aller Neutrinomassen der verschiedenen Typen kleiner als etwa 50 Elektronenvolt sein sollte. Es gibt dann auch noch die Möglichkeit, dass ganz schwere Neutrinos existieren, aber die werden wahrscheinlich nicht sehr langlebig sein. All das ist noch sehr offen, jedenfalls ist das eine Grenze, an die die Kosmologen glauben und einige von uns auch so einigermaßen, dass die wohl richtig ist. Man muss also unterhalb dieses Bereiches suchen, wenn man Neutrinomassen finden will. Nun gibt es eine interessante Möglichkeit, auf die zuerst Pontecorvo und eine japanische Gruppe hingewiesen haben, nämlich, dass die Neutrinos, die wir im Laboratorium im Rahmen des Beta-Zerfalls produzieren, dass diese Neutrinos nicht Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung sind, im Rahmen derer sie produziert werden, sondern, dass diese Neutrinos evtl. mehr fundamentale Neutrinos hinter sich stehen haben, mit anderen Worten dass die erzeugten Neutrinos, im Rahmen der schwachen Wechselwirkung erzeugten Neutrinos nicht stabil sind, sondern sich ineinander umwandeln können. Das würde dazu führen, dass sogenannte Neutrino-Oszillationen möglich sind und wir haben in der Tat Experimente in dieser Richtung durchgeführt, eine Suche nach solchen Oszillationen in den letzten Jahren angestellt. Das würde bedeuten, dass Neutrinos, etwa Elektron-Neutrinos, die erzeugt werden, sich im Laufe der Zeit, wenn sie fliegen, mit praktisch Lichtgeschwindigkeit, in Myonen-Neutrinos umwandeln und dann z.B., das ist ein besonders einfaches Zwei-Neutrino-Modell hier, wieder zurückverwandeln in Elektroneutrinos, wieder in Myon-Neutrinos, dass also solche Oszillationen an Neutrinos zustande kommen. Konkret ausgedrückt bedeutet das, wenn ich etwa hier im Zentrum meines Kreises einen Kernspaltungsreaktor habe, der mir Elektronen-Neutrinos oder Antineutrinos produziert, und die fliegen los, in irgendeiner Richtung, in allen Richtungen natürlich, z.B. in dieser, dann würden sie nach einer gewissen Flugzeit oder gewissen Flugstrecke, an dieser roten Stelle etwa, in Myon-Neutrinos umgewandelt werden.Etwas später wären es wieder Elektron-Neutrinos, wieder etwas später wären es Myon-Neutrinos und so weiter und so fort. Sie haben also hier solche Oszillationen,entlang dieses Bereiches hier. Und wenn Sie einen Detektor hier aufstellen, der z.B. nur auf die grüne Sorte anspricht, dann würden Sie hier solche Neutrinos finden, hier sehen Sie nichts, hier finden Sie wieder diese Neutrinos, Sie würden also eine Oszillation der Intensität in diesem Detektor beobachten und damit direkt diese Neutrinos nachweisen können. Nun, was können wir aus solchen Oszillationen lernen? Was wir im Prinzip daraus lernen können ist einmal, ob diese Oszillationen überhaupt auftreten, das heißt ob diese Neutrinos der verschiedenen Typen überhaupt ineinander übergehen können, ob sie gemischt sind und diese Mischung kann ich durch einen sogenannten Mischungswinkel zum Ausdruck bringen, das ist die eine Größe, und zum anderen lernen wir etwas über diese Masse der Neutrinos, denn die Länge dieser Oszillationen hängt, wie sich ganz einfach zeigen lässt, ich hab dazu die Zeit nicht hier, von der Masse, genauer von der Massendifferenz der beteiligten Neutrinos ab. Wenn ich also annehme, ich habe etwa eine Oszillation zwischen Elektron- und Myon-Neutrinos, dann geht die Differenz Elektron-Neutrino- und Myon-Neutrino-Masse, bzw. der dahinterliegenden Grundneutrinos ein. Ich kann also etwas über die Neutrino-Massen lernen und ich kann etwas über die Mischung dieser Neutrinos lernen. Nun, wir haben solche Experimente durchgeführt seit einigen Jahren und zwar zunächst in einem ersten Experiment, das war eine amerikanisch-französisch-deutsche Zusammenarbeit, an dem Forschungsreaktor des Instituts Laue-Langevin in Grenoble. Wir haben dort gemessen bei einer festen Entfernung von 8,76 m vom Reaktor, und haben da im Wesentlichen die Energieabhängigkeit unserer Neutrinos studiert, wir haben also Neutrinos absorbiert und haben geschaut, ob diese Absorption sich bei allen Energien gleich verhält oder ob die energieabhängig ist. Wenn sie energieabhängig ist, würde das auf Neutrino-Oszillationen hindeuten. Wir haben nun inzwischen, ich hab Ihnen vor drei Jahren gesagt, dass wir dieses Experiment vorhaben, dieses Experiment ist nun inzwischen abgeschlossen, ein zweites Experiment ist wiederum ebenfalls abgeschlossen, eine amerikanisch-schweizer-deutsche Zusammenarbeit an dem Leistungsreaktor des Kernkraftwerks in Gösgen in der Schweiz haben wir nun bei einer Entfernung von etwa 38 m ein neues Oszillations-Experiment durchgeführt und über dieses Experiment möchte ich Ihnen ein paar Details erzählen, bloß damit Sie ein Gefühl dafür bekommen, wie solche Experimente im Einzelnen sich abspielen. Wir verwenden diese Reaktionen, die ich schon mal erwähnt habe, dass wir Elektron-Antineutrinos auf Protonen schießen. Wir haben also einen Detektor, in dem sich sehr viele Wasserstoffkerne befinden. In unserem Fall ist das eine Flüssigkeit, die sehr wasserstoffreich ist, und die uns gleichzeitig als Detektor dient und auch als Nachweis für die empfangenen Neutrinos, also die Protonen machen diese Reaktionen, sie werden umgewandelt hier in Neutronen und in Positronen und wir messen diese beiden Teilchen zusammen in Koinzidenz und zwar sowohl in zeitlicher wie in räumlicher Koinzidenz. In zeitlicher Koinzidenz insofern, als sie gleichzeitig natürlich auftreten müssen, wenn diese Reaktion überhaupt eintritt, wenn wir also Neutrinos beobachten. Und in räumlicher Koinzidenz, das hilft uns, unsere sehr erheblichen Untergrundprobleme zu lösen. Denn obwohl wir sehr große Neutrinoraten haben, bleibt eben nur so gelegentlich mal so eins hängen, wir kriegen also ganz geringe Zählraten und Sie können sich vorstellen, dass es sehr schwierig ist, mit solch geringen Zählraten gegen alle anderen Prozesse anzukämpfen, die natürlich auftreten. Sie haben immer eine natürliche Radioaktivität von der Umgebung, nicht vom Kernkraftreaktor, der liefert uns gar nichts, sondern aus unserem Detektor selbst, aus dem Glas, was in den Multipliern ist, kommt Strahlung raus, aus dem Betonwänden, die wir zur Abschirmung verwenden, kommt Strahlung raus und es kommt natürlich ganz saftig Strahlung von oben her aus dem Weltall, die kosmische Strahlung, gegen all das muss man ankämpfen, und dazu dient dieser positionsempfindliche Nachweis, den ich hier kurz andeute. Nun, ich will Sie nicht mit den Einzelheiten behelligen, ich will nur ganz kurz noch mal drauf hinweisen, dass die Oszillation, die ich hier mal formal angeschrieben habe, das ist eine einfache Funktion hier, wesentlich ist hier dieser Cosinus-Term, eine trigonometrische Funktion. Sie hängt einmal ab von der Energie der Neutrinos, wie gesagt, wenn wir keine Neutrino-Oszillation hätten, sollte sie nicht von der Energie abhängen. Dann hängt sie ab von der Entfernung, dann hängt sie ab von dieser Massendifferenz, die ich erwähnt habe und die ich hier noch mal genau angeschrieben habe, Delta2, diese Größe, die hier im Argument der trigonometrischen Funktion auftritt, ist abhängig von den Massen M1 und M2 der beiden Neutrinos, auf die ich mich beziehe in dieser quadratischen Weise, wie ich es hier angeschrieben habe, und dann geht schließlich noch der Mischungswinkel ein. Sie sehen sofort, wenn der Mischungswinkel null ist, dann gibt es keine Neutrino-Oszillationen, da wird nämlich diese ganze Geschichte hier null und dann kommt hier einfach 1 raus. Das heißt, dann rührt sich gar nichts, weder als Funktion der Entfernung noch als Funktion der Energie tritt dann irgendetwas auf. Wenn aber ein Mischungswinkel vorhanden ist, wenn also das Phänomen der Oszillationen existiert, dann tritt so ein oszillierender Term auf, und aus der Länge dieser Oszillation, aus dem Argument der trigonometrischen Funktion kriegen wir Informationen über diese Größe Delta2, über diese quadratische Massendifferenz der Neutrinos, auf die es uns ankommt. Nun, wie sieht das in der Praxis aus? Ganz grob schaut so ein Detektor so aus, wie ich’s Ihnen hier aufgemalt habe. Wir haben also hier 30 solcher weißen Kästchen, das sind die Protonenzähler, das Ganze ist ungefähr der innere Zähler, grob 1m mal 1m mal 1m. Wir haben also 30 solcher Protonenzähler, in denen die Neutrinos, die vom Reaktor kommen, die irgendwie von hier außen kommen und hier einfallen, gelegentlich mal eine Umwandlung erfahren, mit einem Proton reagieren und ein Neutron und ein Positron produzieren. Und dieses Neutron und dieses Positron müssen wir jetzt nachweisen. Das Positron weisen wir direkt nach in diesen Zählern, da sitzen einfach Photomultiplier am Ende, die Lichtblitze, die dieses Positron in diesem Szintillationszähler, in dieser Szintillationsflüssigkeit macht, die wir hier drin haben, werden nachgewiesen und die geben uns direkt einen Hinweis auf das Positron. Und die Neutronen, die dabei produziert werden, die kommen hier herüber, in diese gelb angedeuteten großen Helium-3-Kammern, in denen sie durch Neutroneneinfang nachgewiesen werden. Das heißt hier weisen wir das Positron nach, hier weisen wir das Neutron nach, und wenn sie beide gleichzeitig oder praktisch gleichzeitig auftreten, dann wissen wir, mit guter Wahrscheinlichkeit hat ein echtes Neutrinoabsorptionsereignis stattgefunden. Den Rest dieser Apparatur, und der ist der größere Teil, der besteht darin, dass wir hier einmal sogenannte Antikoinzidenzzähler haben, die uns sagen, von außen kommt irgendetwas falsches, irgendein Teilchen aus der kosmischen Strahlung, das können wir dann aussondern, dann zählen wir das nicht. Dann gibt es hier noch viele andere Dinge, auf die ich jetzt nicht eingehen will. Das Entscheidende ist, das wir hier noch viele Meter Beton um das Ganze haben. Der ganze Detektor wiegt etwa 1000 t, das sind also große Apparaturen. In der Tat hat uns die Schweizer Armee geholfen, diese 1000 t in der Gegend herum zu fahren, weil wir dazu natürlich selbst nicht so ohne Weiteres in der Lage gewesen sind und wir nicht gern unsere knappen Forschungsmittel für den Transport von Beton verwenden. Nun will ich Ihnen vielleicht diesen inneren Zähler noch einmal genauer zeigen, wie der im Einzelnen aussieht. Sie sehen hier noch einmal ein vergrößertes Bild der Innereien, Sie sehen hier diese 30 Zähler, hier sind die Kappen abgenommen in einigen Fällen, das sind die Photomultiplier, die vorne und hinten an diesen Zählern sitzen, und die uns den Nachweis der Lichtimpulse hier gestatten, hier zwischendrin, gelb, sind diese großen Helium-3-Kammern, wir haben 400 l von dem sehr seltenen Isotop Helium-3 in unserem Detektor untergebracht. Nun möchte ich Ihnen die Ergebnisse ganz kurz zeigen. Was Sie hier sehen, ist im oberen Teil die Zählrate, diese obere Kurve, aufgetragen ist hier die Zählrate pro Stunde Sie sehen, wir haben so typisch etwa 2 pro Stunde hier als Funktion der Neutrinoenergie, bzw. der Positronen-Energie, die direkt mit der Neutrinoenergie verbunden ist. Sie sehen hier diese obere Kurve, für den Fall, dass der Reaktor in Betrieb gewesen ist. Wir haben ungefähr ein halbes Jahr an dieser Kurve gemessen. Sie sehen, mit diesen geringen Zählraten braucht man Zeit, und Sie sehen hier unten jene Kurve, die wir bekommen, wenn der Reaktor abgeschaltet ist. Das heißt, das sind sozusagen unerwünschte Nebenereignisse, die wir von den erwünschten Ereignissen hier oben abziehen müssen. Ich darf vielleicht am Rand erwähnen, dass es für diese untere Kurve sehr schwierig war, wir haben nur etwa 4 Wochen messen können, an dieser unteren Kurve, diese Leistungsreaktoren der Elektrizitätswerke haben die unangenehme Eigenschaft, dass sie immer in Betrieb sind, und sehr selten abgeschaltet sind. Als Physiker hätte man gern Reaktoren, die zur Hälfte laufen, damit man diese Kurve messen kann und zur Hälfte abgeschaltet sind, damit man diese Kurve messen kann. Aber man muss sich da natürlich den Bedürfnissen unterordnen, die da wirklich vorliegen. Nun, die Differenz dieser beiden Kurven hier, ist das, was Sie hier unten aufgetragen sehen, das ist also jetzt das echte Spektrum und eingezeichnet ist noch eine Kurve hier, die nicht etwa ein Fit an diesen experimentellen Daten ist, sondern die jene Kurve ist, die wir erwarten müssten, wenn wir keine Neutrino-Oszillationen hätten. Also alle Abweichungen zwischen dieser durchgezogenen Kurve und unseren experimentellen Daten, und Sie sehen da so ein bisschen was hier und vielleicht da, mit viel Fantasie, alles dieses würde auf Oszillationen hindeuten. Was wir angeben können in diesem Fall sind keine Massen, wir haben keine Neutrino-Oszillationen gesehen im Rahmen der Statistik, die wir anlegen, ich werde Ihnen das gleich begründen, wir können aber Grenzen angeben, für diese Massen, und das ist hier in diesem Bild aufgetragen, das sind jetzt neueste, noch unveröffentlichte Daten, wo ich Ihnen die jetzt genauesten Grenzen für die Neutrinomassen und die Mischungswinkel angebe. Was Sie hier sehen, und das ist die grüne Kurve, und zwar die durchgezogene am rechten Rand der grünen Kurve befindliche Kurve, das ist das sogenannte 90% Konfidenzniveau für den Ausschluss von Neutrino-Oszillationen. Und zwar ist ausgeschlossen, das ganze rechte Gebiet, rechts dieser Kurve, und erlaubt, auf der Basis von 90% Konfidenz ist das, was links von dieser Kurve sich befindet. Aufgetragen ist nach oben, dieses Delta2, diese quadratische Massendifferenz der Neutrinos und nach rechts der Mischungswinkel. Hier also Mischungswinkel null und hier totale Mischung auf dieser Seite. Sie sehen, dass ein weiter Bereich hier ausgeschlossen ist, alles was aber hier links von dieser Kurve noch ist, in diesem linken Bereich, das ist der Bereich, wo Neutrino-Oszillationen und damit Neutrinomassen und Neutrinomischungswinkel nach wie vor möglich sind. Wir sind jetzt dabei, diese Messungen auszudehnen, zu noch größeren Entfernungen. Dabei ist es unser Ziel, einmal diesen Bereich hier, auf den ich gleich noch zu sprechen kommen werde, genauer anzusehen, und vor allem hier unten noch weiter herunter zu gehen. Das heißt, wenn Neutrinomassen da sind, mit relativ großen Werten, also im Bereich von eV, wo es die Kosmologen und die Astrophysiker gerne haben würden, dann können solche Massen nur noch auftreten mit außerordentlich kleinen Mischungswinkeln, und zwar sichtlich mit Mischungswinkeln, die kleiner sind als jene Winkel, die wir heute in der Hochenergiephysik so gerne verwenden, nämlich der Cabibbo-Winkel und der Weinbergwinkel, die beide so ein bisschen größer wie 0,2 sind. Wir sind also hier in diesem Bereich bereits unter diesen Winkeln. Natürlich gibt es keinen Grund, warum diese Mischungswinkel mit diesen anderen Winkeln hier übereinstimmen sollten, aber so ein bisschen denkt man doch, vielleicht ist es ein Geschenk, dass sie von dieser Größenordnung sind. Das ist aber nicht so, sie sind aber hier schon, wie Sie sehen, unterhalb dieses Bereiches. Wir können also schon bis zu beliebigen Massen herauf extrapolieren. Wir können das deswegen, weil hier in diesen hohen Massen, in diesem hohen Massenbereich unserer Oszillations-Term ausgemittelt wird, und das ist z.B. eine der Hoffnungen, die man hat, um den abwesenden solaren Neutrinofluss zu erklären. Es könnte nämlich sein, dass die Neutrinos, die von der Sonne zu uns kommen, Oszillationen machen, dass sie sich umwandeln in andere Arten von Neutrinos, dass die Elektron-Neutrinos der Sonne etwa in Myon-Neutrinos und Tauon-Neutrinos umgewandelt werden und dass das Ganze dann mischt, sodass wir dann, wenn wir sie etwa gleich gemischt haben - und das würde man annehmen, wenn die Oszillationslängen klein sind gegen die Entfernung Erde-Sonne - dass wir dann annehmen können, wenn wir drei Typen von Neutrinos haben, dass auf jeden Typ dann ein 1/3 entfällt an Intensität, und das wäre etwa das, was man im Augenblick misst. Aber das ist noch sehr starkes Wunschdenken, würde ich sagen, das muss noch sehr viel genauer verifiziert werden. Jedenfalls, in diesem linken Bereich hier sind Oszillationen noch möglich, in diesem rechten Bereich sind sie ausgeschlossen, hier unten bei ganz kleinen Neutrinomassen, und da könnten natürlich welche vorliegen, es könnte so sein, dass die Neutrinos diese kleinen Massen haben, da sind sie noch mit allen Mischungswinkeln voll verträglich. Nun möchte ich Ihnen, ohne auf vielleicht Zahlen hier einzugehen, noch ein Bild zeigen, was etwas Aufregung verursacht hat, vor rund einem Jahr. Und zwar zeige ich Ihnen noch mal dieselbe Kurve, die Sie gerade in grün gesehen haben, hier in lila, und gleichzeitig zeige ich Ihnen hier Messungen, die von Reines und seinen Mitarbeitern gemacht worden sind, sehr berühmte Messungen, in denen neutrale und geladene Stromreaktionen mit Hilfe von Neutrinos durchgeführt worden sind am Beispiel des Deuterons, und von denen diese Messungen interpretiert worden sind, indem man annahm, Neutrino-Oszillationen existieren. Hier ist es so, dass bei uns der zulässige Bereich links liegt, in dem Fall liegt der zulässige Bereich rechts. Sie sehen hier die 90% Konfidenzkurve von Reines, Sie sehen hier rechts die 90% Konfidenzkurve unseres Experiments, hier ist kein Überlapp dieser Kurven, das heißt, diese beiden Experimente sind zumindest auf der 90% Basis, und das kann man noch ausdehnen, in klarem Widerspruch zueinander. Wir stimmen also mit unseren Experimenten nicht mit den Aussagen dieser amerikanischen Gruppe überein. Nun schließlich noch eine letzte Zusammenfassung jener Daten, die wir bekommen haben an dem Kernkraftreaktor in Gösgen. Der zeigt Ihnen sehr schön den Unterschied der Distance und auch der Reaktoren. Ich zeige Ihnen hier in blau nochmal, was Sie vorher schon in anderen Farben gesehen haben, nämlich unsere Messungen, die wir in der Schweiz, an dem Schweizer Leistungsreaktor durchgeführt haben, und gleichzeitig zeige ich Ihnen hier in Rot, noch einmal …

Rudolf Mößbauer (1982)

The world is full of neutrinos (German presentation)

Rudolf Mößbauer (1982)

The world is full of neutrinos (German presentation)

Comment

Rudolf Mößbauer received his Nobel Prize in 1961, only three years after he reported on what was later known as recoilless nuclear resonance fluorescence – or the Mößbauer effect in short. With an age of 32 at the time of the award, he belongs to the ten youngest Nobel Laureates ever. This early success probably facilitated his decision of eventually changing his research focus entirely after accepting a position at the Technical University of Munich in 1965. Around 1970 he became interested in the neutrino, an elusive elementary particle, which had been detected for the first time in 1957. In his 2001 Lindau lecture, Mößbauer would state: “I fooled around with the Mößbauer effect for 15 years and then I had it. […] When the neutrinos came up, I immediately caught fire.” And indeed, the neutrino and its peculiar properties should stay at the focus of his research interest until his retirement in 1997 and beyond. Of the 12 lectures he gave in Lindau during his life, 8 had the neutrino and its properties as their topic (1979, 1982, 1985, 1988, 1994, 1997, 2000, 2001).
In the present lecture, Mößbauer gives a very clear and concise overview of the history of the neutrino, its properties, sources and the scientific questions connected to it at the time. He differentiates three problems in particular: the solar neutrino problem, the question of neutrino mass (traditionally, neutrinos were assumed to have zero mass) and neutrino oscillations. Interestingly, from a today’s view, the three problems are actually but one: the solar neutrino problem, which boils down to the fact that for a long time only one third of the expected solar neutrinos were detectable on earth, could be largely resolved around the turn of the century. At that time experiments showed neutrino oscillations, which also implied a non-zero neutrino mass. However, Mößbauer was not actively involved in these discoveries. Major contributors were the teams running two large underground detectors, the Sudbury Neutrino Observatory in Canada and the Super-Kamiokande in Japan.
In any case, in 1982 the field was still open. In the second part of his talk, Mößbauer describes how his team is using a neutrino detector attached to the nuclear fission reactor in Gösgen, Switzerland in order to search for neutrino oscillations. Since the interaction of neutrinos with matter is so weak, neutrino detectors have to be huge: Mößbauer mentions how the Swiss Army helped the scientists to move their 1 000 ton apparatus into place. And still, despite the massive detector size, measurement periods of half a year were needed for a single curve, as Mößbauer explains. As a comparison, the Super-Kamiokande experiment mentioned above was even bigger, employing a 50 000 ton detector.
Despite the fact that Mößbauer’s work in Gösgen did not result in groundbreaking contributions to the field of neutrino physics, his Lindau lectures on neutrinos are particularly valuable. That is partly due to his well-structured and clear way of presenting. But first of all, his Lindau lectures cover the development of a highly topical research field over a significant period of time (1979-2001) and thus allow for a unique insight into the - sometimes apparently rather slow - workings of science.

David Siegel

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