Laborphysiker untersuchten einst die Wissenschaft, die sie heimsuchte
Von Danny Alcazar, Archivar, National Security Research Center
Obwohl Frederick Reines (im Bild unten) akademische Spitzenleistungen in Literatur und Geschichte erbrachte und sich für Musik und Gesang begeisterte, sah ein Lehrer sein Potenzial in der Wissenschaft.
Dieser Lehrer ermutigte Reines – und gab ihm einen Schlüssel für das wissenschaftliche Labor, damit er arbeiten konnte, wann immer er wollte. Reines‘ Noten in den Naturwissenschaften begannen sich in der High School stetig zu verbessern, und seine Antwort auf die Frage im Jahrbuch nach seinem Hauptziel lautete: „To be a physicist extraordinaire.“
Jahre später, als Reines 1951 zum ersten Mal ein Experiment zum Nachweis des Neutrinos in Erwägung zog, war dieses Teilchen immer noch ein Poltergeist – das heißt, es war ein flüchtiges, aber eindringliches Gespenst in der Welt der physikalischen Realität, so der Bericht des Labors „The Reines-Cowan Experiments: Detecting the Poltergeist“. Die Eigenschaften des Neutrinos waren zwar abgeleitet worden, aber nur theoretisch – jemand musste noch seine Realität nachweisen.
Nahezu 45 Jahre später wurde Reines 1995 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, weil er die so genannten Geisterteilchen der Kernreaktionen aufgespürt und damit das Verständnis der Wissenschaftler für die Grundlagen der Physik erweitert hatte.
Ära des Manhattan-Projekts
Reines trat 1944 in das damals geheime Labor in Los Alamos ein, um an der Entwicklung der ersten Atombomben der Welt mitzuwirken. Er arbeitete unter den berühmten Physikern Richard Feynman und Hans Bethe.
1947 dachte Reines zum ersten Mal daran, dem Nachweis von Neutrinos (einem subatomaren Teilchen ohne elektrische Ladung und mit sehr geringer Masse) nachzugehen, was ihn dazu veranlasste, ein Forschungssabbatical zu beantragen. Jahrzehnte später erinnerte er sich: „1951, nach den Tests im Eniwetok-Atoll im Pazifik, beschloss ich, dass ich mich wirklich mit Grundlagenphysik beschäftigen wollte. … Ich zog in ein völlig leeres Büro und starrte mehrere Monate lang auf einen leeren Block, auf der Suche nach einer sinnvollen Frage, die eines Lebenswerkes würdig wäre. Die Monate vergingen, und alles, was ich aus meinem Unterbewusstsein herauskitzeln konnte, war der mögliche Nutzen einer Bombe für den direkten Nachweis von Neutrinos.“
Geister sehen (Teilchen)
Reines war auf der Suche nach dem Beweis, dass das Neutrino wirklich existiert. Inspiriert von früheren Erfahrungen mit Sprengstoffen beschloss er, das schwer fassbare Neutrino zu beobachten, und überzeugte seinen Kollegen Clyde Cowan aus Los Alamos, mit ihm zusammenzuarbeiten.
Da sie wussten, dass Atomexplosionen viele Neutronen freisetzen, die dann zerfallen, überlegten sie zunächst, eine Atombombe zu verwenden. Eine Atomexplosion wäre eine hervorragende Quelle für Neutrinos und die Chance, dass das „Geisterteilchen“ sichtbar werden könnte. Dazu musste ein empfindlicher Detektor gebaut und in der Nähe einer Atombombe aufgestellt werden. Aber wie könnte man einen Detektor bauen, der 100 Meter von der „heftigsten von Menschen verursachten Explosion“ entfernt platziert werden und überleben würde?
Nach vielen Experimenten beschlossen Reines und Cowan, den Kernreaktor in Hanford, Washington, zu benutzen. Dies würde ihnen die Kontrolle über die Kernenergie geben und die Wiederholbarkeit des Experiments ermöglichen. Dort hätten sie die Möglichkeit, Veränderungen an den Atomkernen vorzunehmen, die eine enorme Anzahl von Neutrinos erzeugen würden. Reines und Cowan waren dann in der Lage, die vom Reaktor ausgesandten Neutrinos nachzuweisen, indem sie ihre Wechselwirkungen mit Protonen in flüssigem Szintillator aufzeichneten.
Projekt Poltergeist
Im Jahr 1953 bauten Reines und Cowan im Rahmen des Projekts Poltergeist einen kleinen Prototyp-Detektor mit dem Namen Herr Auge – benannt nach der geisterhaften Natur des Neutrinos. Dies war die erste größere experimentelle Entwicklung, die statistisch signifikante Ergebnisse lieferte.
Nach einiger Zeit ihrer Experimente waren sie sicher, dass sie ein freies Neutrino beobachtet hatten, aber 1955 verlegten Reines und Cowan ihren Betrieb in die Savannah River Plant, die über fünf Spaltreaktoren verfügte.
Reines und Cowan sahen sich mit einer kolossalen Herausforderung konfrontiert: dem Einfangen des „asozialsten aller Teilchen“. Im Sommer 1956 gelang es ihnen.
Nobelpreis für Physik
Nicht lange nach ihrer Entdeckung verließ Cowan das Los Alamos Lab, gefolgt von Reines, die beide eine Lehrtätigkeit aufnahmen.
Erst 1995 erhielt Reines den Nobelpreis für Physik für seine und Cowans experimentelle Arbeit zum Nachweis des ersten Neutrinos, des so genannten Elektron-Antineutrinos. Cowan erhielt den Preis jedoch nicht, da er nicht posthum verliehen wird (Cowan starb 1974).
Der Nobelpreis von Reines ist derzeit im Bethe House des Historischen Museums von Los Alamos in der Bathtub Row in der Innenstadt von Los Alamos ausgestellt.
Eine offizielle Nachbildung des prestigeträchtigen Preises ist eine Leihgabe des Bradbury-Museums des Labors und wird im National Security Research Center (NSRC), der Geheimbibliothek des Labors, ausgestellt. Die offiziellen Repliken sehen genauso aus wie die Originale und werden von denselben Handwerkern hergestellt, sind aber aus vergoldeter Bronze und nicht aus massivem Gold.