Zu Besuch im japanischen Super-Kamiokande-Detektor (Teil 1)

Die Neutrino-Falle aus reinem Wasser

Kaum ein Elementarteilchen kommt im Universum häufiger vor als das schwer zu fassende Neutrino. Die Erforschung des fast masselosen Winzlings ist ein Schwerpunkt der aktuellen Elementarteilchenphysik. Den vielleicht wichtigsten Beitrag zum Verständnis des Neutrinos leistet seit gut zwanzig Jahren der japanische Super-Kamiokande-Detektor, an dem mehrere Schweizer Forschergruppen mitwirken. Ein Besuch im japanischen Bergland.

Ein 1.7 km langer Tunnel führt zum Neutrino-Detektor Super-Kamiokande. Foto: B. Vogel
Bild: CHIPP, Switzerland

Das Dorf Kamioka liegt rund 250 km nordwestlich von Tokio, eingebettet in die Berge der nördlichen japanischen Alpen. In der Gegend wurden bis vor wenigen Jahren Zink und andere Erze abgebaut. Obwohl der Bergbau unterdessen ruht, herrscht in den Stollen weiterhin reges Treiben. Um mehr zu erfahren, besteigen wir in Kamioka den Bus und folgen einer kurvenreichen Strasse. Im Talgrund schäumt der Takahara-Fluss, die Bergflanken sind von dichtem Wald überzogen. Nach einer halben Stunde stoppt der Busfahrer, der wie in Japan üblich Mütze und weisse Handschuhe trägt, an der Haltestelle Mozumi. Hier steht neben einer kleinen Tempelanlage eines der renommiertesten Forschungslabore der weltweiten Teilchenphysik: das Kamioka-Observatorium.

Ein Leben für die Neutrino-Forschung

Auf der Treppe zum Eingang wartet ein Mann mit freundlichem Augen auf den Besucher. Im Entrée tauschen wir die Strassenschuhe gegen grüne Pantoffeln. Es sind nur wenige Schritte in das geräumige Büro von Masayuki Nakahata. Nakahata ist Direktor des Kamioka-Observatoriums und zugleich Professor am ‘Institut für die Erforschung kosmischer Strahlung’ der Universität Tokio. Der 60jährige Wissenschaftler hat allen Grund, stolz zu sein auf seine Arbeit. Er ist mit dem Kamioka-Observatorium verbunden, seit hier Mitte der 1980er Jahre ein Neutrino-Detektor gebaut wurde. Seine Biografie ist eng verknüpft mit den wissenschaftlichen Erfolgen dieser Forschungseinrichtung.

Der erste dieser Erfolge zeigt sich am 23. Februar 1987. Mit dem kurz zuvor erbauten Detektor wurden Neutrinos gemessen, die von der Explosion eines 160’000 Lichtjahre entfernten Sterns (Supernova) stammten. Niemand vorher hatte solche ‘kosmischen’ Neutrinos nachgewiesen – eine wissenschaftliche Sensation. “Seither ist unser Detektor weltweit ein Begriff”, sagt Nakahata, damals hauptverantwortlich für die Datenanalyse der Beobachtung, die dem verantwortlichen Physiker Masatoshi Koshiba 2002 den Physik-Nobelpreis einbrachte.

Schweizer forschen in Japan

Das war nur das erste aus einer Reihe von wissenschaftlichen Glanzlichtern, mit denen das Kamioka-Observatorium in den nächsten Jahren aufwarten sollte: 1989 wurden hier erstmals Neutrinos beobachtet, die ihren Ursprung in der Sonne haben. 1998 dann gelang dem japanischen Physiker Takaaki Kajita an ‘atmosphärischen’ Neutrinos, die beim Aufprall der kosmischen Strahlung in der Erdatmosphäre entstehen, der Nachweis, dass sich die drei Arten von Neutrinos ineinander verwandeln können (‘Oszillation’), wofür er 2015 mit dem Nobelpreis geehrt wurde. Seither ist klar, dass Neutrinos eine Masse haben (die allerdings kaum mehr als der Millionste Teil der Masse eines Elektrons beträgt), auch wenn heute noch nicht alle Fragen rund um die Masse der drei Neutrino-Arten geklärt sind.

2009 ging dann das T2K-Experiment in Betrieb: Hierbei werden an der japanischen Südküste erzeugte Neutrinos 295 km quer durch Japan nach Kamioka geschossen und dort mit dem Detektor eingefangen. Mit diesem Experiment, an dem auch Forscher der Universitäten Bern und Genf sowie der ETH Zürich beteiligt sind, konnte im Jahr 2011 erstmals die Oszillation von Myon- zu Elektron-Neutrinos gezeigt werden, womit nun auch die letzte der drei heute bekannten Neutrino-Oszillationen experimentell nachgewiesen war.

Ein ganz besonderer Wassertank

Masayuki Nakahata führt seinen Besucher von seinem Büro hinaus auf den Parkplatz. Nach einer zehnminütigen Autofahrt erreichen wir die Südflanke des 1369 Meter hohen Ikenoyama-Berges. Ein 1.7 km langer Tunnel führt hinein in den Berg. Ausgerüstet mit Helm und Crocks betreten wir eine Felskaverne. 13 Grad Celsius beträgt hier die Temperatur. Über unseren Köpfen lastet eine 1000 Meter dicke Gesteinsschicht, welche die kosmische Strahlung um einen Faktor 1 zu 100’000 abschwächt. “Wir sind nun über dem Tank”, sagt Teilchenphysiker Nakahata. Der “Tank”, vom dem der Forscher spricht, ist der Super-Kamiokanda-Detektor. ‘Super-KamiokaNDE’ steht für ‘Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment’. Es ist das Experiment, das die japanische Neutrino-Forschung in den gut 20 Jahren seit der Inbetriebnahme 1996 massgeblich geprägt hat.

Der Detektor ist in der Lage, einen – sehr geringen! – Teil der Neutrinos, die hier vorbeikommen, nachzuweisen. Dazu dient ein 41 Meter hoher Stahlzylinder mit 39 Metern Durchmesser, gefüllt mit 50 Millionen Litern Wasser. Trifft ein Neutrino in einem H2O-Wassermolekül auf den Kern oder das Elektron eines Wasserstoff- oder Sauerstoffatoms, wird ein Elektron oder ein Myon aus dem Atom “herausgeschlagen”. Ist dieses Elektron oder Myon schnell genug – nämlich schneller als die Lichtgeschwindigkeit in Wasser! – wird ein schwaches blaues Licht abgestrahlt (Tscherenkow-Strahlung), das von den insgesamt 13’000 Fotosensoren aufgezeichnet wird, mit denen der Wassertank ausgekleidet ist. Professor Nakahata führt den Besucher in den benachbarten Kontrollraum. Auf einem Bildschirm sind die aktuellen Messungen der Fotosensoren durch farbige Punkte repräsentiert. Aus dem Muster der Bildpunkte können die Physiker ableiten, welche Art von Teilchen sie beobachtet haben und aus welcher Richtung es kam: Myon-Neutrinos haben eine klare, ringförmige Kontur, Elektron-Neutrinos hingegen eine verschwommene. Neutrinos solaren Ursprungs haben eine 100 mal tiefere Energie als atmosphärische Neutrinos; sie sind am geringen Radius ihres ringförmigen Umrisses erkennbar.

Faszinierende Bilder für die Öffentlichkeit

Es sind faszinierende Muster, welche von den Neutrino-Ereignissen auf den Bildschirm des Super-Kamiokande gezaubert werden. Bilder, die von Elementarteilchen erzählen, die der Sinneswahrnehmung der Menschen sonst nicht zugänglich sind. Es war deshalb eine tolle Idee, diese Bilder auch Menschen ausserhalb der Forscher-Gemeinde zugänglich zu machen. Im März 2019 wurde im 15 km entfernten Kamioka ein kleines, aber feines Wissenschaftsmuseum eröffnet. Dorthin werden die Bilder dieser sonst verborgenen Welt in Echtzeit übertragen. Darüber hinaus erzählt des Museum mit interaktiven Exponaten von den schwer fassbaren Neutrinos. 100’000 Besucherinnen und Besucher haben sich in den ersten sechs Monaten von der Faszination der Neutrinoforschung anstecken lassen.

Autor: Benedikt Vogel

Infos zum Neutrinodetektor Super-Kamiokande: http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html

Infos zum T2K-Experiment: https://t2k-experiment.org

  • Kamioka liegt in der Nähe der nordjapanischen Alpen. Von der Stadt hat der Super-Kamiokande-Detektor seinen Namen. Foto: B. Vogel
  • Im Kamioka-Observatorium arbeiten dauerhaft ca. 20 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Von hier ist es nur eine kurze Autofahrt zum Super-Kamiokande-Detektor, der sich tief im Berg befindet. Foto: B. Vogel
  • Prof. Masayuki Nakahata, Direktor des Kamioka-Observatoriums, zeigt den originalen Datenträger aus dem Jahr 1987, auf dem damals elf Neutrino-Events von einer Sternen-Explosion aufgezeichnet wurden, die vor 160’000 Jahren stattgefunden hat. Foto: B. Vogel
  • Ein 1.7 km langer Tunnel führt zum Neutrino-Detektor Super-Kamiokande. Foto: B. Vogel
  • Der Eingang zum Super-Kamiokande-Detektor. Wie immer, wenn man in Japan einen Raum betritt, heisst es: Schuhe bitte ausziehen (und im Regal links verstauen). Foto: B. Vogel
  • Prof. Nakahata in der Felskaverne 1000 Meter unter der Erdoberfläche. Direkt unter ihm befindet sich der riesige Wassertank, mit dem der Super-Kamiokande Neutrinos detektiert. Foto: B. Vogel
  • Die Besucherlounge unmittelbar neben dem Super-Kamiokande. Der Detektor selber kann nicht besichtigt werden, der er mit Wasser gefüllt ist. Das Foto auf der linken Seite wurde während Revisionsarbeiten aufgenommen: Es zeigt die Fotosensoren (Lichtverstärkungsröhren, oder engl. ‘Photomultiplier Tubes’/PMT), mit denen die Innenwand des Detektors ausgekleidet ist. Jede PMT hat einen Durchmesser von 50 cm. Foto: B. Vogel
  • Im Kontrollraum des Super-Kamiokande. Der grosse Bildschirm zeigt ein aktuelles Ereignis mit kosmischer Strahlung. Foto: B. Vogel
  • Beispiel eines vom Super-Kamiokande aufgezeichneten Myon-Neutrinos, das seinen Ursprung in der Atmosphäre hat. Foto: B. Vogel
  • Beispiel eines vom Super-Kamiokande aufgezeichneten Elektron-Neutrinos, das seinen Ursprung in der Atmosphäre hat. Foto: B. Vogel
  • Beispiel eines solaren Neutrinos, das vom Super-Kamiokande aufgezeichnet wurde. Foto: B. Vogel
  • Dr. Yumiko Takenaga, PR-Verantwortliche des Kamioka-Observatoriums, hat gemeinsam mit weiteren Forschern und in Zusammenarbeit mit der Stadt Hida, zu der Kamioka gehört, das Wissenschaftsmuseum KamiokaLab aufgebaut, das die breite Öffentlichkeit über die Neutrinoforschung informiert. Foto: B. Vogel
  • Das KamiokaLab macht Besucher und Besucherinnen über interaktive Exponate mit den Inhalten der Elementarteilchenphysik vertraut. Foto: B. Vogel
  • Kamioka liegt in der Nähe der nordjapanischen Alpen. Von der Stadt hat der Super-Kamiokande-Detektor seinen Namen. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland1/13
  • Im Kamioka-Observatorium arbeiten dauerhaft ca. 20 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Von hier ist es nur eine kurze Autofahrt zum Super-Kamiokande-Detektor, der sich tief im Berg befindet. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland2/13
  • Prof. Masayuki Nakahata, Direktor des Kamioka-Observatoriums, zeigt den originalen Datenträger aus dem Jahr 1987, auf dem damals elf Neutrino-Events von einer Sternen-Explosion aufgezeichnet wurden, die vor 160’000 Jahren stattgefunden hat. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland3/13
  • Ein 1.7 km langer Tunnel führt zum Neutrino-Detektor Super-Kamiokande. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland4/13
  • Der Eingang zum Super-Kamiokande-Detektor. Wie immer, wenn man in Japan einen Raum betritt, heisst es: Schuhe bitte ausziehen (und im Regal links verstauen). Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland5/13
  • Prof. Nakahata in der Felskaverne 1000 Meter unter der Erdoberfläche. Direkt unter ihm befindet sich der riesige Wassertank, mit dem der Super-Kamiokande Neutrinos detektiert. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland6/13
  • Die Besucherlounge unmittelbar neben dem Super-Kamiokande. Der Detektor selber kann nicht besichtigt werden, der er mit Wasser gefüllt ist. Das Foto auf der linken Seite wurde während Revisionsarbeiten aufgenommen: Es zeigt die Fotosensoren (Lichtverstärkungsröhren, oder engl. ‘Photomultiplier Tubes’/PMT), mit denen die Innenwand des Detektors ausgekleidet ist. Jede PMT hat einen Durchmesser von 50 cm. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland7/13
  • Im Kontrollraum des Super-Kamiokande. Der grosse Bildschirm zeigt ein aktuelles Ereignis mit kosmischer Strahlung. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland8/13
  • Beispiel eines vom Super-Kamiokande aufgezeichneten Myon-Neutrinos, das seinen Ursprung in der Atmosphäre hat. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland9/13
  • Beispiel eines vom Super-Kamiokande aufgezeichneten Elektron-Neutrinos, das seinen Ursprung in der Atmosphäre hat. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland10/13
  • Beispiel eines solaren Neutrinos, das vom Super-Kamiokande aufgezeichnet wurde. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland11/13
  • Dr. Yumiko Takenaga, PR-Verantwortliche des Kamioka-Observatoriums, hat gemeinsam mit weiteren Forschern und in Zusammenarbeit mit der Stadt Hida, zu der Kamioka gehört, das Wissenschaftsmuseum KamiokaLab aufgebaut, das die breite Öffentlichkeit über die Neutrinoforschung informiert. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland12/13
  • Das KamiokaLab macht Besucher und Besucherinnen über interaktive Exponate mit den Inhalten der Elementarteilchenphysik vertraut. Foto: B. VogelBild: CHIPP, Switzerland13/13

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  • Elementarteilchenphysik

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