Kosmische Strahlung

Interview mit Eberhard Widmann

Vor 100 Jahren entdeckte Victor Franz Hess die kosmische Strahlung. Welche Bedeutung die Entdeckung für die Physik hatte, erklärt Eberhard Widmann, Direktor des Stefan-Meyer-Instituts für subatomare Physik (SMI) der ÖAW im Interview mit Martina Gröschl. Das SMI ist das Nachfolgeinstitut des Instituts für Radiumforschung, an dem Victor Franz Hess seinerzeit geforscht hat.

Vor 100 Jahren entdeckte Victor Franz Hess bei seiner historischen Ballonfahrt am 7. August 1912 die kosmische Strahlung. Welche Bedeutung hatte seine Entdeckung für die damalige Physik?

Widmann: Zur damaligen Zeit hatte man gerade die Radioaktivität entdeckt und sich die Frage nach ihrer Quelle gestellt. Man hat diese in der Natur gesucht und auch gefunden, beispielsweise in der Pechblende, einem uranhaltigen Erz, mit dem auch am Institut für Radiumforschung der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften - unserem Vorgängerinstitut - geforscht wurde.

Die Frage war nun, ob die Erde die einzige Quelle für Radioaktivität ist. Mit seiner Ballonfahrt konnte Hess diese Frage verneinen: Er maß eine Zunahme der radioaktiven Strahlung mit der Höhe; was nicht möglich wäre, wenn die Erde die einzige Quelle für Radioaktivität wäre, da die Strahlung dann mit dem Quadrat der Entfernung abnehmen müsste. Es musste also noch Strahlungsquellen aus dem Weltall geben.

Und welche Bedeutung hatte die Entdeckung für die heutige Physik?

Widmann: Nachdem die Messungen bestätigt worden waren - was nicht sofort der Fall war, zu Beginn wurden die Ergebnisse angezweifelt - wurde die kosmische Strahlung natürlich genauer untersucht. Carl David Anderson konnte dann darin mit dem Positron das erste Antimaterie-Teilchen experimentell nachweisen. Bis dahin existierten Antimaterie-Teilchen nur in der Theorie, ihre Existenz wurde von Paul Dirac postuliert. Andersen und Hess erhielten daraufhin 1936 für ihre Entdeckungen gemeinsam den Nobelpreis.

Man darf auch nicht vergessen, dass bevor man Teilchenbeschleuniger gebaut hat, die kosmische Strahlung die einzige Quelle für hochenergetische Teilchen war. Man hat in ihr auch einige neue Teilchen gefunden - zum Beispiel das Myon oder das Pion.

Das heißt die kosmische Strahlung hat früher das geleistet, was jetzt Teilchenbeschleuniger leisten?

Widmann: Genau - erst mit der Entwicklung der Teilchenbeschleuniger wurde sie für die Entdeckung neuer Teilchen weniger wichtig. Bei unseren heutigen Experimenten müssen wir eher überlegen, wie wir die kosmische Strahlung abschirmen können. Das gilt insbesondere für Experimente mit sehr geringen Ereignisraten wie jene, die wir jetzt im Rahmen unseres ERC Advanced Grant Projekt durchführen werden.

Was untersuchen Sie bei diesem Projekt?

Widmann: In der Teilchenphysik geht man von einer exakten Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie aus, die sich mathematisch durch die so genannte CPT-Symmetrie ausdrücken lässt. Wir wollen am Beispiel des Anti-Wasserstoffs herausfinden, wie genau diese Symmetrie gilt. Wir haben bereits die Antiprotonen- mit der Protonenmasse verglichen und eine Übereinstimmung auf neun Stellen genau festgestellt. Es gibt Messungen von Eigenschaften wie dem sogenannten g-Faktor von anderen Elementarteilchen, die sogar auf zehn oder zwölf Stellen genau übereinstimmen.

Wir versuchen jetzt die Bestimmung der Genauigkeit weiter voranzutreiben, indem wir zum ersten Mal ein Atom erzeugen, das ganz aus Antimaterie besteht - nämlich Antiwasserstoff. Das ist das Gegenstück zu Wasserstoff und besteht aus einem Antiproton und einem Positron. Wir wollen die Energiezustände im Antiwasserstoff untersuchen und dann mit jenen des Wasserstoffs vergleichen, die schon sehr genau gemessen wurden. Die Methoden der Atomphysik gehören zu den genauesten verfügbaren Messmethoden. Wir gehen also davon aus, dass wir eine der bisher genausten Überprüfung dieser Symmetrie machen können.

Und wie kann die kosmische Strahlung bei den Experimenten stören?

Widmann: Für unsere Untersuchung müssen wir die von uns erzeugten Antiwasserstoff-Atome im Flug mittels Mikrowellenspektroskopie untersuchen. Dabei werden wir mehr kosmische Strahlung detektieren, als Antiwasserstoff-Atome. Da wir den Beschleuniger kaum in ein Untergrundlabor schaffen können, was die kosmische Strahlung überwiegend abschirmen würde, werden wir versuchen, die kosmische Strahlung zwar mitzudetektieren, sie aber dann abzutrennen.

Ist die Materie-Antimaterie-Symmetrie immer gültig?

Widmann: Wir haben es hier mit zwei Extremen zu tun. In der mikroskopischen Welt der Elementarteilchen wissen wir, dass diese Symmetrie sehr genau erfüllt ist, die Frage ist nur wie genau. Antimaterie wird ja auch bereits in der Medizin genutzt, beispielsweise bei PET-Scannern. Eine Folge der Materie-Antimaterie-Symmetrie ist, dass sich Materie- und Antimaterie-Teilchen gegenseitig vernichten, wenn sie aufeinandertreffen. PET-Scanner können aus der dabei freiwerdenden Gamma-Strahlung ein funktionales Bild des Körpers rekonstruieren.

Auf der anderen Seite weiß man, dass es im kosmologischen Bereich eine starke Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie gibt. Es ist eine der großen noch ungelösten Fragen, warum es im Universum so gut wie keine Antimaterie zu geben scheint.

Hess musste damals bei seinem Ballon noch mit an Bord sein, was ja ziemlich abenteuerlich war - welchen Abenteuern müssen sich heutige Physiker(innen) stellen?

Widmann: Die physikalische Forschung ist heute sehr kontrolliert und auf Sicherheit bedacht. Man weiß auch mehr über mögliche Gefahrenquellen. Kurz nach der Entdeckung der Radioaktivität glaubte man zum Beispiel noch, dass radioaktive Strahlen gesund seien. Es gibt in Badgastein sogar immer noch einen Radon-haltigen Heil-Stollen. Heute weiß man ziemlich genau, welche Abschirmungen man für welche Experimente benötigt.

Bevor man die Radioaktivität entdeckt hatte, glaubte man in der Physik schon alles verstanden zu haben. Die Entdeckung der Radioaktivität führte letztendlich zur Entwicklung der Quantenmechanik und diese hat unser Weltbild völlig verändert. Die Physik ist voller Überraschungen.

Und eine dieser Überraschungen könnte dann sein, dass die CPT-Symmetrie doch verletzt ist?

Widmann: Zum Beispiel. Im Standard-Modell der Teilchenphysik, von dem man derzeit ausgeht, muss die CPT-Symmetrie aus mathematischen Gründen erhalten sein. Das heißt, wenn man eine Abweichung fände, würde das jetzige Modell zur Beschreibung physikalischer Phänomene nicht mehr ausreichen. Eine mögliche Erweiterung wäre hier die String-Theorie, die im Vergleich zum Standard-Modell den Vorteil hat, physikalische Phänomene nicht nur zu beschreiben, sondern auch Erklärungen anbietet. Die String-Theorie hat aber auch Nachteile - sie liefert zum Beispiel kaum Vorhersagen, die sich dann mittels Experiment überprüfen ließen. Die Möglichkeit der Verifikation beziehungsweise Falsifikation ist jedoch ein wesentliches Kriterien für Wissenschaftlichkeit. Das Wechselspiel zwischen prognostizierender Theorie und überprüfendem Experiment ist für die Physik entscheidend. Der Ballonflug von Victor Hess ist hierfür das beste Beispiel.


Siehe auch:

• ERC Advanced Grant an Eberhard Widmann
• Thema des Monats "Teilchenphysik" (Juni 2010)
• Thema des Monats "Kleine Welten" (Dezember 2006)