Arthur B. McDonald: Der Physiker, der zwei Kilometer unter die Erde ging

Zwei Kilometer unter der Landschaft von Ontario, innerhalb einer aktiven Nickelmine nahe Sudbury, verbrachte Arthur McDonald mehr als ein Jahrzehnt mit der Durchführung eines Experiments, das vor fast jedem Teilchen an der Erdoberfläche abgeschirmt werden musste, um die aus der Sonne herabregnenden Teilchen einfangen zu können. Als die Zahlen 2001 endlich vorlagen, nannte er es seinen „Heureka-Moment“: Neutrinos, die Geisterteilchen, von denen Physiker angenommen hatten, sie seien masselos, veränderten während des Fluges ihre Identität — ein Beweis dafür, dass sie doch eine Masse trugen.

Von Sydney, Nova Scotia, nach Caltech

Arthur Bruce McDonald wurde am 29. August 1943 in Sydney, Nova Scotia, geboren und blieb für seine frühe Ausbildung in der Nähe seiner Heimat. Er erwarb 1964 seinen Bachelor-Abschluss und 1965 seinen Master-Abschluss in Physik an der Dalhousie University. Anschließend überquerte er den Kontinent für seine Doktorarbeit am California Institute of Technology (Caltech), wo er 1969 unter der Leitung von Charles A. Barnes in Kernphysik promovierte. Seine Arbeit befasste sich mit den Anregungsenergien und Zerfallseigenschaften spezifischer Kernzustände in Sauerstoff-17, Fluor-17 und Natrium-21 — eine technische, wenig glamouröse Arbeit, die typisch für einen jungen Kernphysiker war, der seinen Weg suchte, bevor die Entdeckung stattfand, die seine Karriere bestimmen sollte.

Von Chalk River nach Princeton

McDonalds frühes Berufsleben verbrachte er größtenteils in Kanadas Kernforschungseinrichtung, als Forschungsbeauftragter an den Chalk River Nuclear Laboratories von 1969 bis 1982, als Teil des landesweiten Flaggschiffprogramms für Reaktor- und Teilchenphysik. Anschließend wechselte er von 1982 bis 1989 an die Princeton University auf eine Professur, bevor er nach Kanada zurückkehrte, um 1989 an die Queen’s University in Kingston, Ontario, zu gehen — im selben Jahr, in dem er Gründungsdirektor eines neuen, ehrgeizigen Experiments wurde, das in einer aktiven Mine zwei Kilometer unter der Erde gebaut wurde.

Bau des Sudbury Neutrino Observatory

Das Sudbury Neutrino Observatory, bekannt als SNO, wurde in der Creighton-Nickelmine gebaut, weil seine enorme Gesteinstiefe einen außergewöhnlich empfindlichen Detektor vor dem Hintergrund der kosmischen Strahlung schützen würde, die die Erdoberfläche überflutet. Im Zentrum befanden sich tausend Tonnen schweres Wasser, das ausgewählt wurde, weil es alle drei Typen oder „Aromen“ von Neutrinos registrieren konnte, anstatt nur einen. McDonald leitete die internationale SNO-Kollaboration durch den Bau des Projekts und, sobald der Betrieb 1998 begann, durch jahrelange mühsame Datensammlung zur Lösung eines jahrzehntealten Rätsels, das als das solare Neutrino-Problem bekannt war: Detektoren auf der Erde fanden konsequent nur etwa ein Drittel der Elektronenneutrinos, von denen die Sonnenphysik vorhersagte, dass die Sonne sie produzieren sollte. Im August 2001 zeigten die Ergebnisse des SNO warum — die fehlenden Neutrinos waren nicht verschwunden, sie hatten ihr Aroma geändert und waren auf ihrer Reise vom Sonnenkern zum Minenschacht in Ontario von Elektronenneutrinos in Myon- und Tau-Neutrinos oszilliert. Diese Oszillation konnte nur stattfinden, wenn Neutrinos, entgegen den ursprünglichen Annahmen des Standardmodells der Teilchenphysik, eine kleine, aber von null verschiedene Masse besaßen.

Ein über den Pazifik geteilter Nobelpreis

Der Nobelpreis für Physik des Jahres 2015 ging gemeinsam an McDonald und den japanischen Physiker Takaaki Kajita, dessen Super-Kamiokande-Experiment unabhängig voneinander Beweise für Neutrinooszillationen gefunden hatte, wobei atmosphärische statt solarer Neutrinos verwendet wurden. Die Begründung würdigte beide Männer „für die Entdeckung von Neutrinooszillationen, die zeigt, dass Neutrinos eine Masse haben“ — eine Erkenntnis, die das Nobelpreiskomitee und die breitere Physik-Community als den ersten bestätigten Riss im Standardmodell betrachteten, dem Rahmenwerk, das ansonsten über Jahrzehnte das Teilchenverhalten mit bemerkenswerter Präzision vorhergesagt hatte. McDonald erhielt anschließend eine Reihe damit verbundener Auszeichnungen: die Benjamin Franklin Medal in Physik im Jahr 2007, die Wahl zum Fellow der Royal Society im Jahr 2009, den Killam-Preis in Naturwissenschaften im Jahr 2010, die Henry Marshall Tory Medal im Jahr 2011, den Giuseppe and Vanna Cocconi Prize für Teilchenastrophysik im Jahr 2013, die Ernennung zum Companion des Order of Canada im Jahr 2015 und den mit mehreren Millionen Dollar dotierten Breakthrough Prize in Fundamental Physics, der zwischen den SNO- und Super-Kamiokande-Teams aufgeteilt wurde. Ein Asteroid, 229781 Arthurmcdonald, wurde 2016 nach ihm benannt.

SNOLAB, dunkle Materie und ein pandemischer Umweg

Die unterirdische Anlage, die McDonald für das SNO baute, wurde nicht geschlossen, als das Neutrino-Experiment endete; sie wurde zum SNOLAB erweitert, einem der tiefsten und saubersten unterirdischen wissenschaftlichen Labore der Welt, wo McDonald als emeritierter Professor an der Queen's University weiterhin in der Neutrinophysik und der Suche nach dunkler Materie forschte. Seine Fähigkeiten erwiesen sich auch außerhalb der Teilchenphysik als nützlich: Während der COVID-19-Pandemie half McDonald bei der Leitung der Ingenieurbemühungen für den Mechanical Ventilator Milano, einem Open-Source-Beatmungsgerätedesign, das massenhaft produziert werden konnte — eine Arbeit, die öffentliche Unterstützung vom kanadischen Premierminister Justin Trudeau erhielt, als Krankenhäuser mit Ausrüstungsengpässen konfrontiert waren.

Warum Arthur als Genie bezeichnet wird

McDonalds Anspruch auf Genialität bezieht sich weniger auf einen Geistesblitz theoretischer Einsicht als vielmehr auf die nachhaltige, fast hartnäckige ingenieurtechnische und organisatorische Disziplin, die erforderlich war, um eine Frage zu beantworten, die die Natur außergewöhnlich gut versteckt hatte. Neutrinos interagieren so schwach mit gewöhnlicher Materie, dass Billionen davon jede Sekunde ohne Wirkung durch einen menschlichen Körper fließen; die winzige Fraktion zu entdecken, die tatsächlich interagiert, und zwar sauber genug, um ein Aroma von einem anderen zu unterscheiden, erforderte den Bau und Betrieb eines der isoliertesten und präzisesten kalibrierten Instrumente, die je gebaut wurden, zwei Kilometer unter der Erde, über den Großteil von zwei Jahrzehnten. Das ist nicht das Genie einer plötzlichen Idee, sondern das unerbittlicher experimenteller Geduld — ein Gerät zu entwerfen, das empfindlich genug ist, um das einzufangen, was vorher noch niemand eingefangen hatte, und eine internationale Zusammenarbeit lange genug zusammenzuhalten, um eine klare Antwort zu erhalten. Die ehrliche Qualifikation ist, dass die zugrunde liegende Idee der Neutrinooszillation nicht allein von McDonald stammte: Theoretiker hatten sie früher vorgeschlagen, und Takaaki Kajita's Team kam unabhängig zu einer parallelen Schlussfolgerung, indem es völlig andere Neutrinos verwendete, was genau der Grund dafür ist, warum der Nobelpreis geteilt wurde. McDonalds besonderer Beitrag war es, sie entscheidend zu beweisen, mit einem Experiment, dessen schiere physikalische Kühnheit — schweres Wasser, eine aktive Mine, Abschirmung gegen kosmische Strahlung in diesem Ausmaß — gleichermaßen eine Leistung der angewandten Physik und Führung wie der Theorie war.

Vermächtnis

Die Erkenntnis des SNO-Experiments formte eine grundlegende Annahme der Teilchenphysik um und hinterließ das SNOLAB als dauerhaften Teil der wissenschaftlichen Infrastruktur, der heute Suchen nach dunkler Materie und andere tief unterirdische Experimente beherbergt, die nirgendwo sonst auf der Erde möglich wären. McDonald, auch mit über achtzig Jahren noch in der Forschung aktiv, bleibt einer der höchstdekorierten Wissenschaftler Kanadas und eine beständige Präsenz in dem unterirdischen Labor, das er ursprünglich baute, um eine Handvoll schwer fassbarer Teilchen aus der Sonne einzufangen.