Stell dir mal was vor.
Irgendwo tief unter der Erde in Südchina steht ein Detektor, groß wie ein kleines Gebäude. Drin stecken 20.000 Tonnen einer speziellen Flüssigkeit. Sobald bestimmte Teilchen durchfliegen, fängt sie an zu leuchten. So empfindlich ist das Ding. Es kann Signale einfangen von Teilchen, die im Grunde genommen alles andere im Universum ignorieren.
Wir reden hier über Neutrinos — und die sind wirklich eines der seltsamsten Phänomene der Physik.
Was zum Teufel ist ein Neutrino?
Kurz gesagt: Ein Neutrino ist ein Elementarteilchen, also eines dieser Grundbauteile, aus denen alles aufgebaut ist. Aber im Gegensatz zu Protonen, Neutronen oder Elektronen haben Neutrinos einige ziemlich abgedrehte Eigenschaften.
Erstens haben sie keine elektrische Ladung. Zweitens sind sie unglaublich leicht — wir verstehen noch nicht mal richtig, wie leicht, weil ihre Masse möglicherweise von einem Mechanismus kommt, den wir noch nicht entdeckt haben. Und drittens: Sie interagieren so gut wie gar nicht mit irgendwas.
Mal drüber nachgedacht? In diesem Moment rasen Billionen von Neutrinos von der Sonne durch deinen Körper. Durch die Wände. Durch die gesamte Erde. Und keines davon stößt auch nur gegen ein einziges Atom.
Wie gesagt: Geister mit einem Schmetterlingsnetz fangen — bloß anders.
Die Jagd beginnt
Hier kommt JUNO ins Spiel. Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory hat vor kurzem seine ersten großen Ergebnisse veröffentlicht, und die sind wirklich bemerkenswert.
Mit nur 59 Tagen Daten hat das internationale Team die präzisesten Messungen überhaupt von zwei fundamentalen Neutrino-Eigenschaften hinbekommen. Wie präzise? Sie haben die Messunsicherheiten um den Faktor 1,6 reduziert — im Vergleich zu dem, was frühere Experimente über Jahrzehnte hinweg geschafft haben.
Stell dir vor, du schätzt das Alter von jemandem — statt innerhalb von 10 Jahren jetzt plötzlich innerhalb von 6 Jahren. Nur dass das "Jemand" ein subatomares Teilchen ist, das kaum existiert.
Warum ist die Massenordnung so wichtig?
Jetzt wird's richtig spannend. Eines der Hauptziele von JUNO ist es, die sogenannte „Neutrino-Massenordnung" zu klären.
Forscher wissen zurzeit, dass es drei Typen (Fachbegriff: Flavors) von Neutrinos gibt. Was sie nicht wissen: Welcher davon ist der schwerste und welcher der leichteste? Es ist ein bisschen wie drei Mysteriumskartons zu haben, ohne sie öffnen zu können.
Aber warum ist das überhaupt relevant? Weil das Verständnis der Neutrinomassen uns helfen könnte, eine der größten Fragen des Universums zu beantworten — buchstäblich. Es hängt zusammen mit der Frage, warum im frühen Universum Materie gegen Antimaterie gewonnen hat. Und das ist der Grund, warum überhaupt irgendwas existiert.
Die Kollegen von Nature waren davon auch ziemlich angetan. In ihrer Berichterstattung schrieben sie, dieses erste Ergebnis markiere „den Beginn einer neuen Ära präziser Neutrino-Oszillationsmessungen."
Nobelpreisträger Arthur McDonald, der den Preis für die Entdeckung der solaren Neutrino-Oszillation erhielt, meinte: „JUNO hat seine Designziele erreicht — mit außergewöhnlicher Radioaktivität, Energieauflösung und Detektorstabilität."
Ziemlich hohes Lob von jemandem, der sich auskennt.
Wie sieht das Ding eigentlich aus?
Bau dir das mal in deinem Kopf zusammen. Im Kern von JUNOs Detektor hängt eine riesige Acrylkugel — etwa 35 Meter durchmessend — gefüllt mit der speziellen Flüssigkeit. Diese Kugel schwimmt in einem Wasserbecken, das 44 Meter tief ist. Und das alles steckt in einer gewaltigen Edelstahlkonstruktion.
Ach ja, und ich sollte erwähnen: Das Ganze liegt 700 Meter unter der Erdoberfläche. Hat seinen Grund. Das Gestein darüber schirmt den Detektor von anderen Teilchen ab, die die Messungen stören könnten. Immerhin jagen wir die schüchternsten Teilchen im Universum.
Die Kugel ist übersät mit über 45.000 Photomultiplier-Röhren — Geräte, die winzige Lichtblitze einfangen und in elektrische Signale umwandeln. Wenn ein Neutrino sich mal entscheidet, doch mit der Flüssigkeit zu wechselwirken, erzeugt es einen kleinen Lichtfunken. Diese Röhren fangen ihn auf, und Wissenschaftler können ihn analysieren.
Bau dir eine riesige Kamera, um etwas zu fotografieren, das partout nicht fotografiert werden will. So ungefähr.
Warum sollte mich das interessieren?
Ich höre dich schon sagen: „Nette Wissenschaft, aber was geht's mich an, wenn ich noch nie was von dem Teilchen gehört hab?"
Hier der Punkt: Neutrinos sind überall. Sie entstehen bei Kernreaktionen (wie in unserer Sonne), bei Supernovae, im Erdinneren, sogar in unseren eigenen Körpern durch das Kalium in unserer Nahrung. Sie tragen Informationen über einige der gewaltigsten und rätselhaftesten Ereignisse im Universum.
Neutrinos verstehen heißt, die Grundregeln von allem verstehen. Und ehrlich? Es gibt was Schönes daran, dass Menschen einen riesigen Detektor tief unter der Erde bauen, nur um kurze Blicke auf diese Geistteilchen zu erhaschen.
Neugier in ihrer reinsten Form.
Was kommt als Nächstes?
JUNO läuft jetzt seit etwa neun Monaten reibungslos, und die Forscher erwarten, dass sie ab diesem Sommer weitere Ergebnisse veröffentlichen. In den kommenden Jahren sollte das Experiment genug Daten sammeln, um die Neutrino-Massenordnung endlich zu bestimmen.
Wenn das passiert, wäre das eine der größten Entdeckungen in der Teilchenphysik seit Jahrzehnten.
Also behalt JUNO im Auge. Diese ruhigen Teilchen, die sich im Dunkeln verstecken, haben uns vielleicht eine Menge zu erzählen.