Mehrere tausend Sensoren, verteilt auf einem Quadratkilometer in der Nähe des Südpols, haben die Aufgabe, eine der großen offenen Fragen der Physik zu beantworten: Gibt es Quantengravitation? Die Sensoren überwachen Neutrinos – Teilchen ohne elektrische Ladung und nahezu ohne Masse –, die aus dem Weltraum auf der Erde ankommen. Ein Team des Niels-Bohr-Instituts (NBI) der Universität Kopenhagen hat zur Entwicklung der Methode beigetragen, die Neutrinodaten nutzt, um herauszufinden, ob Quantengravitation existiert.
„Wenn, wie wir glauben, die Quantengravitation tatsächlich existiert, wird dies dazu beitragen, die derzeitigen beiden Welten in der Physik zu vereinen. Heute beschreibt die klassische Physik die Phänomene in unserer normalen Umgebung wie die Schwerkraft, während die atomare Welt nur mit der Quantenmechanik beschrieben werden kann.
„Die Vereinigung von Quantentheorie und Gravitation bleibt eine der größten Herausforderungen in der Grundlagenphysik. Es wäre sehr befriedigend, wenn wir dazu beitragen könnten“, sagt Tom Stuttard, Assistenzprofessor am NBI.
Stuttard ist Co-Autor eines in der Zeitschrift veröffentlichten Artikels Naturphysik. Der Artikel präsentiert Ergebnisse einer großen Studie des NBI-Teams und amerikanischer Kollegen. Mehr als 300,000 Neutrinos wurden untersucht.
Dabei handelt es sich jedoch nicht um Neutrinos der interessantesten Art, die aus Quellen im Weltraum stammen. Die Neutrinos in dieser Studie entstanden in der Erdatmosphäre, als hochenergetische Teilchen aus dem Weltraum mit Stickstoff oder anderen Molekülen kollidierten.
„Die Betrachtung von Neutrinos aus der Erdatmosphäre hat den praktischen Vorteil, dass sie weitaus häufiger vorkommen als ihre Geschwister aus dem Weltraum. Wir brauchten Daten von vielen Neutrinos, um unsere Methodik zu validieren. Dies ist nun gelungen. Damit sind wir bereit für die nächste Phase, in der wir Neutrinos aus dem Weltraum untersuchen werden“, sagt Stuttard.
Ungestört durch die Erde reisen
Das IceCube-Neutrino-Observatorium befindet sich neben der Amundsen-Scott-Südpolstation in der Antarktis. Im Gegensatz zu den meisten anderen Einrichtungen der Astronomie und Astrophysik eignet sich IceCube am besten für die Beobachtung des Weltraums auf der gegenüberliegenden Seite der Erde, also der nördlichen Hemisphäre. Denn während das Neutrino durchaus in der Lage ist, unseren Planeten – und sogar seinen heißen, dichten Kern – zu durchdringen, werden andere Teilchen gestoppt und das Signal ist daher für Neutrinos, die von der nördlichen Hemisphäre kommen, viel sauberer.
Die IceCube-Anlage wird von der University of Wisconsin-Madison, USA, betrieben. Mehr als 300 Wissenschaftler aus Ländern auf der ganzen Welt waren an der IceCube-Zusammenarbeit beteiligt. Die Universität Kopenhagen ist eine von mehr als 50 Universitäten mit einem IceCube-Zentrum für Neutrinostudien.
Da das Neutrino keine elektrische Ladung hat und nahezu masselos ist, wird es weder von elektromagnetischen Kräften noch von starken Kernkräften gestört, sodass es in seinem ursprünglichen Zustand Milliarden von Lichtjahren durch das Universum reisen kann.
Die entscheidende Frage ist, ob sich die Eigenschaften des Neutrinos auf seiner Reise über weite Distanzen tatsächlich völlig verändern oder ob sich doch winzige Veränderungen bemerkbar machen.
„Wenn das Neutrino die subtilen Veränderungen erfährt, die wir vermuten, wäre dies der erste starke Beweis für die Quantengravitation“, sagt Stuttard.
Das Neutrino gibt es in drei Geschmacksrichtungen
Um zu verstehen, nach welchen Veränderungen der Neutrinoeigenschaften das Team sucht, sind einige Hintergrundinformationen erforderlich. Während wir es als Teilchen bezeichnen, handelt es sich bei dem, was wir als Neutrino beobachten, in Wirklichkeit um drei gemeinsam erzeugte Teilchen, die in der Quantenmechanik als Überlagerung bezeichnet werden.
Das Neutrino kann drei Grundkonfigurationen haben – Flavors, wie sie von den Physikern genannt werden – Elektron, Myon und Tau. Welche dieser Konfigurationen wir beobachten, ändert sich, während sich das Neutrino bewegt, ein wirklich seltsames Phänomen, das als Neutrino-Oszillationen bekannt ist. Dieses Quantenverhalten bleibt über Tausende von Kilometern oder mehr erhalten, was als Quantenkohärenz bezeichnet wird.
„In den meisten Experimenten wird die Kohärenz schnell gebrochen. Es wird jedoch nicht angenommen, dass dies durch die Quantengravitation verursacht wird. Es ist einfach sehr schwierig, in einem Labor perfekte Bedingungen zu schaffen. Sie wollen ein perfektes Vakuum, aber irgendwie schaffen es ein paar Moleküle, sich einzuschleichen usw.
„Im Gegensatz dazu sind Neutrinos insofern etwas Besonderes, als sie einfach nicht von der sie umgebenden Materie beeinflusst werden. Wir wissen also, dass eine Störung der Kohärenz nicht auf Mängel im künstlichen Versuchsaufbau zurückzuführen ist“, erklärt Stuttard.
Viele Kollegen waren skeptisch
Auf die Frage, ob die Ergebnisse der veröffentlichten Studie vorliegen Naturphysik „Wir befinden uns in einer seltenen Kategorie wissenschaftlicher Projekte, nämlich Experimenten, für die es keinen etablierten theoretischen Rahmen gibt“, antwortet der Forscher. Daher wussten wir einfach nicht, was uns erwarten würde. Wir wussten jedoch, dass wir nach einigen allgemeinen Eigenschaften suchen könnten, die wir von einer Quantentheorie der Schwerkraft erwarten könnten.“
„Obwohl wir gehofft hatten, Veränderungen im Zusammenhang mit der Quantengravitation zu sehen, schließt die Tatsache, dass wir sie nicht gesehen haben, keineswegs aus, dass sie real sind. Wenn in der antarktischen Anlage ein atmosphärisches Neutrino entdeckt wird, ist es normalerweise durch die Erde gereist. Das bedeutet etwa 12,700 km – eine sehr kurze Entfernung im Vergleich zu Neutrinos, die aus dem fernen Universum stammen. Offensichtlich ist eine viel größere Entfernung erforderlich, damit die Quantengravitation, sofern sie existiert, Wirkung entfaltet“, sagt Stuttard und weist darauf hin, dass das oberste Ziel der Studie darin bestand, die Methodik zu etablieren.
„Viele Physiker haben jahrelang daran gezweifelt, ob Experimente jemals hoffen könnten, die Quantengravitation zu testen. Unsere Analyse zeigt, dass dies tatsächlich möglich ist, und mit zukünftigen Messungen mit astrophysikalischen Neutrinos sowie dem Bau präziserer Detektoren im kommenden Jahrzehnt hoffen wir, diese grundlegende Frage endlich beantworten zu können.“