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Großlabor All : Zehn Millionen Mal die Urknallmaschine

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Modell des Detektors IcCube: Lichtsensoren eingeschmolzen im Eis der Antarktis Bild: IceCube

Die Geschichte der kosmischen Strahlung reicht 100 Jahre zurück. Sie zeigt: Wer den Nobelpreis will, muss manchmal auch mit alten Gewissheiten brechen.

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          Wer auf den Nobelpreis aus ist, sollte sich nicht scheuen, mit vermeintlichen Gewissheiten zu brechen. So wie Victor Franz Hess. Der zeigte, dass es mehr gibt zwischen Himmel und Erde als das Licht, dem einzigen bis dahin bekannten Boten aus der Tiefe des Kosmos. Genau vor 100 Jahren, im August 1912, entdeckte der Österreicher auf mehreren Ballonflügen eine ionisierende Strahlung aus dem Weltraum - die „Höhenstrahlung“ oder auch „kosmische Strahlung“ genannt. Seinen Kollegen hatte man zuvor geraten, mit Blick auf ihre wissenschaftliche Reputation vom Gedanken der extraterrestrischen Natur dieser Strahlung abzulassen. Hess hielt sich nicht daran, 1936 erhielt er für seine Entdeckung den Physiknobelpreis.

          Der Raum zwischen den Gestirnen ist eben doch nicht leer, sondern angefüllt mit einem dünnen Gas aus Atomkernen und Elektronen, den Partikeln, aus denen Sterne, Planeten und Menschen bestehen. Viele dieser Teilchen bewegen sich gemächlich wie Luftmoleküle bei einer leichten Brise, einige wenige aber erreichen Orkanstärke - extreme Exemplare tragen so viel Energie wie ein schnell geschlagener Tennisball. Die Entdeckung der Teilchennatur der kosmischen Strahlung Ende der zwanziger Jahre war die Geburtsstunde der Astroteilchenphysik. Wohl kaum ein anderer Forschungszweig untersucht zwei so unterschiedliche Disziplinen. Einerseits die Welt der Elementarteilchen: subatomare Partikel, deren Wechselwirkungen untereinander von quantenmechanischen Kräften bestimmt werden. Andererseits die Milliarden Lichtjahre großen Dimensionen des Kosmos. Die Energiequelle der Sterne? Verschmelzung leichter Atomkerne zu immer schwereren Neutronensternen? Im Prinzip kilometergroße Atomkerne. Der Sonnenwind, der das Planetensystem durchzieht? Ein Strom geladener Teilchen. Ein Verständnis der Abläufe im Weltall ist ohne das Verstehen der Prozesse zwischen den winzigen Elementarteilchen nicht möglich. Ein Anachronismus in einer von Diversifizierung und Spezialisierung geprägten Wissenschaftswelt.

          Ein lichtempfindlicher Sensor des IceCube-Teleskops wird in ein Borloch 
in der Antarktis versenkt
          Ein lichtempfindlicher Sensor des IceCube-Teleskops wird in ein Borloch in der Antarktis versenkt : Bild: IceCube-Kollaboration

          Ein klassisches und doch aktuelles Beispiel: die Suche nach der Dunklen Materie. Zuerst war sie ein Problem für die Astronomen - die hatten bemerkt, dass der größte Teil der Materie im Weltall weder aus Sternen noch aus Gas und Staub besteht. Ohne die Massenanziehung dieser Materie würden Galaxien auseinanderdriften und hätten sich vermutlich gar nicht bilden können. Doch die Frage nach der Natur dieses seltsamen Stoffs kann die Astrophysik nicht beantworten. Ideen für neue, unbekannte Teilchen, die die gewünschten Eigenschaften der Dunklen Materie besitzen, brachte erst die Elementarteilchenphysik. Einige dieser „Wimps“ genannten Kandidaten könnten vielleicht mit Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) am Cern erzeugt werden. Aber es ist Aufgabe der Astroteilchenphysiker, sie tatsächlich in der Natur nachzuweisen. Wenn die Dunkle Materie aus Wimps besteht, dann müssen diese einen Anteil an der kosmischen Strahlung ausmachen. Die Fahndung läuft - mit erdgebundenen Teilchendetektoren, Satelliten und in Untergrundlabors. Bislang noch ohne eindeutige Resultate.

          Es wäre nicht das erste Mal, dass die kosmische Strahlung Unbekanntes zutage fördert. In den dreißiger und vierziger Jahren wurden neue Teilchen ausschließlich hier entdeckt: 1932 das Positron, das erste Antimaterieteilchen, 1937 das Myon, der schwere Verwandte des Elektrons, und 1947 die geladenen Pi-Mesonen, Vertreter einer bis dahin unbekannten Klasse mittelschwerer Teilchen. Die Physiker brauchten ihre Detektoren nur auf hohen Bergen oder in Ballons zu installieren und später im Labor zu untersuchen. Die Suche nach den Wimps gestaltet sich naturgemäß schwieriger. Falls es sie gibt, haben sie sich schließlich lange erfolgreich der Entdeckung entzogen. In jedem Falle verdankt die Teilchenphysik ihren rasanten Fortschritt in den Anfangsjahren dem extraterrestrischen Partikelregen: Zu Hess’ Zeiten waren gerade einmal das positiv geladene Proton und das negative Elektron bekannt.

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