Die Suche nach der Neutronenwelle

Es war sicher eines der bedeutendsten Experimente, die je in Österreich durchgeführt wurden: Vor 40 Jahren, am 11. Jänner 1971, konnte Prof. Helmut Rauch und sein Team am Wiener Atominstitut erstmals nachweisen, dass Neutronen wellenartige Interferenzeigenschaften ähnlich wie Licht haben.

Sie sind keine kleinen Kügelchen, die sich auf eindeutig festgelegten Bahnen bewegen, nach den Gesetzen der Quantenmechanik muss man sich Neutronen wie Wellen vorstellen, die sich durch Überlagerung verstärken oder auslöschen können. Diese weltweit aufsehenerregende Entdeckung war nicht nur das Produkt von jahrelanger harter Arbeit – wie immer in der Wissenschaft gehörte auch eine Portion Glück dazu.

Wellen und Teilchen

Besteht Licht aus Teilchen oder Wellen? Darüber wurde jahrhundertelang gestritten, bis die Quantentheorie schließlich die Auflösung brachte: Es ist beides! Teilchen- und Welleneigenschaften lassen sich nicht voneinander trennen. Das bedeutet einerseits, dass Lichtwellen sich manchmal wie diskrete Partikel benehmen, es führt andererseits auch dazu, dass man massiven Teilchen einen Wellencharakter zugestehen muss. Wenn man etwa ein Elektron auf ein feines Gitter schießt, dann findet es nicht ein eindeutige Bahn zwischen zwei bestimmten Gitterstäben, wie das eine Gewehrkugel tun würde, sondern es schwappt ähnlich wie eine Welle durch alle Gitteröffnungen gleichzeitig hindurch.

Damit lag allerdings die Frage nahe: Lässt sich diese Art von Wellen-Interferenz auch bei größeren, schweren Teilchen beobachten? Schon in den Sechzigerjahren versuchte man, die Welleneigenschaften von Neutronen zu untersuchen – zunächst noch ohne Erfolg. Doch das Team am Wiener Versuchsreaktor probierte es mit einer neuen Methode: Aus Siliziumkristallen stellte man 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.

Der Effekt ähnelt dem bunten Schimmern einer CD, wenn man sie ins Licht hält: An den feinen regelmäßigen Strukturen einer CD wird Licht einer bestimmten Farbe in ganz bestimmte Richtungen abgelenkt.

Die Entdeckung

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, die man von Röntgenstrahlen schon kannte?

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 – das Neutron hat über 1800 mal mehr Masse als ein Elektron – nicht aus ganz fundamentalen physikalischen Gründen kaputt gehen müssen. Doch am 11. Jänner 1974 konnte Helmut Rauchs Dissertant Wolfgang Treimer den entscheidenden Erfolg vermelden: Zum ersten Mal trug er an diesem Tag eindeutig sichtbare Wellenmodulationen in sein Labor-Notizbuch ein. Rasch wurden die Ergebnisse aufgeschrieben, schon am 22. April 1974 erschien das Paper „Test of a single crystal neutron interferometer“ im Journal „Physics Letters A“.

Kein Erfolg in Grenoble

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.

Die Schwingungen sind schuld

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 Herz 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.

„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. Seit der Entdeckung 1974 hat sich die Neutroneninterferometrie zu einem wichtigen Forschungsgebiet entwickelt und sogar zu Interferenz-Experimenten mit noch viel schwereren Teilchen geführt.

Rückfragehinweis:
Prof. Helmut Rauch
Atominstitut
Stadionallee 2, 1020 Wien
Technische Universität Wien
T: 0043-664-9188087
helmut.rauch@tuwien.ac.at
Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at