Als die Neutronen schwingen lernten

  • 10. January 2014

Vor vierzig Jahren ließen Helmut Rauch und sein Team in Wien erstmals Neutronen interferieren.

Besteht Licht aus Teilchen oder Wellen? Darüber haben Wissenschaftler Jahrhunderte lang gestritten, bis die Quantentheorie schließlich die Auflösung brachte: Es ist beides! Damit lag allerdings die Frage nahe: Lässt sich diese Art von Wellen-Interferenz auch bei größeren, schweren Teilchen beobachten? Schon in den sechziger Jahren versuchte man, die Welleneigenschaften von Neutronen zu untersuchen – zunächst noch ohne Erfolg. Doch ein Team am Wiener Versuchsreaktor probierte es mit einer neuen Methode: Aus Siliziumkristallen stellten die Forscher hochpräzise Interferometer her. „Die Neutronenwelle wird am regelmäßigen Kristallgitter gestreut, dadurch kann ein Neutronenstrahl in verschiedene Teilstrahlen aufgeteilt werden, die sich dann wieder zusammenführen und überlagern lassen“, erklärt Helmut Rauch.

Die Neutronenquelle des Atominstituts der TU Wien

Abb.: Die Neutronenquelle des Atominstituts der TU Wien im Jahr 2010. (Bild: TU Wien)



Dass sich auf diese Weise Röntgenstrahlen aufspalten und überlagern lassen, wusste man bereits – die entscheidende Frage war also: Kann man mit Neutronen dieselben Interferenz-Experimente durchführen? Um die Neutronenwellen wirklich messen zu können, muss man hochpräzise arbeiten und mit viel Mühe unterschiedliche Fehlerquellen ausschalten. Lange Zeit war unklar, ob die Quanteneigenschaften von schweren Materieteilchen nicht aus ganz fundamentalen physikalischen Gründen kaputt gehen müssen. Doch am 11. Januar 1974 konnte Helmut Rauchs Doktorand Wolfgang Treimer den entscheidenden Erfolg vermelden: Zum ersten Mal trug er an diesem Tag eindeutig sichtbare Wellenmodulationen in sein Labor-Notizbuch ein. Schon am 22. April 1974 erschien das Paper „Test of a single crystal neutron interferometer“ im Journal „Physics Letters A“.

Allerdings liefert der Wiener Versuchsreaktor nur eine beschränkte Zahl von Neutronen pro Sekunde. Der naheliegende nächste Schritt war daher, den Versuch an der viel stärkeren Neutronenquelle in Grenoble zu wiederholen, um noch bessere Ergebnisse zu erzielen. Das Team transportierte das Experiment also mit großen Erwartungen nach Frankreich – doch dort konnte man die Ergebnisse nicht reproduzieren, obwohl man es über ein Jahr lang versuchte. Die Röntgenstrahlen konnten wunderbar gestreut werden, wie erwartet – doch die Neutronen zeigten keine Interferenz. „Am Ende blieb uns nichts anderes übrig, als die ganze Apparatur wieder nach Wien zu transportieren, und siehe da: Es konnten wieder sowohl Röntgen- als auch Neutroneninterferenzen beobachtet werden“, erzählt Helmut Rauch.

Der erste Nachweis von Neutronenwellen

Abb.: Eintrag im Original-Notizbuch: Der erste Nachweis von Neutronenwellen (Bild: TU Wien)

Der Effekt war also reproduzierbar, die wissenschaftliche Ehre des Teams war gerettet. Trotzdem blieb die Frage, warum das Experiment in Grenoble, mit deutlich besserem Neutronenstrom, so lange misslingen konnte. „Mehr zufällig als systematisch begann man, über den Einfluss sehr niederfrequenter Schwingungen im Bereich von einigen Hertz bis hundert Hertz nachzudenken“, sagt Helmut Rauch. Herkömmliche Messgeräte sind auf diese Art von Schwingungen relativ unempfindlich, doch genau dieser Frequenzbereich zerstört die Neutroneninterferenz.

Während sich Röntgenstrahlen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, fliegen die Neutronen recht langsam durch das Interferometer. Wenn sich der Kristall während ihres Fluges bewegt, trifft das Neutron nicht mehr an der exakt richtigen Stelle am Siliziumkristall auf und der Überlagerungseffekt wird zerstört. Die Röntgenstrahlen hingegen bewegen sich so rasch durch den Apparat, dass für sie die Schwingungen keine Rolle spielen.

Helmut Rauch

Abb.: Helmut Rauch (Bild: Österr. Zentralbib. f. Physik)

„Beim Atominstitut in Wien gab es damals zum Glück noch keine Autobahn und kein U-Bahn, daher waren die Schwingungen in diesem Frequenzbereich sehr gering“, sagt Helmut Rauch. „In Grenoble hingegen waren die Schwingungen deutlich größer, vor allem wegen der starken Kühlpumpen und der nahegelegenen Autobahnen.“ Als man das Problem erkannte, gelang mit entsprechender Schwingungsdämpfung das Experiment auch in Grenoble.

Wie hätte man reagiert, wenn man das Experiment nicht zuerst in Wien durchgeführt hätte, sondern es gleich in Grenoble probiert hätte? „Sehr wahrscheinlich hätte man einen guten Grund gefunden, warum Interferometrie mit Neutronen nicht funktioniert und hätte das wohl auch publiziert“, meint Helmut Rauch. Die Erfahrung zeigt also: Die größten experimentellen Erfolge müssen nicht immer mit den größten Forschungsanlagen gelingen – und für wirklich gute Wissenschaft braucht man immer auch ein kleines bisschen Glück.

TU Wien

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