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StartseiteKalenderblattEin fundamentaler Fortschritt der Teilchenphysik07.08.2012

Ein fundamentaler Fortschritt der Teilchenphysik

Vor 100 Jahren entdeckte der Physiker Victor Franz Hess die kosmische Strahlung

Aus über 5000 Metern Höhe entdeckte der österreichische Physiker Victor Franz Hess während eines Ballonflugs am 7. August 1912 die kosmische Strahlung: Einen Strom von extrem energiegeladenen Teilchen, die aus dem Weltall in das Sonnensystem und in die Erdatmosphäre eindringen.

Von Anke Wilde

Aus dem Weltall trifft radioaktive Strahlung unseren Planeten. (Nasa)
Aus dem Weltall trifft radioaktive Strahlung unseren Planeten. (Nasa)

"Wir stiegen um 6h 12 früh von Aussig an der Elbe auf. Wir überflogen die sächsische Grenze bei Peterswalde, Struppen bei Pirna, Bischofswerda und Kottbus. In der Gegend des Schwielochsees wurde die Höhe von 5350 m erreicht. Um 12h 15 mittags landeten wir bei Pieskow, 50 km östlich von Berlin."

Die siebte und letzte Ballonfahrt seiner Versuchsreihe hatte der österreichische Physiker Victor Franz Hess für den 7. August 1912 angesetzt. Der junge Wissenschaftler vom renommierten Wiener Radiuminstitut wollte wissen, in welchem Ausmaß die natürliche radioaktive Strahlung aus dem Erdboden in höhere Luftschichten dringt.
Dieter Hoffmann vom Berliner Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte forscht zur Entdeckungsgeschichte der kosmischen Strahlung:

"Der wissenschaftliche Hintergrund ist der, dass im ausgehenden 19. Jahrhundert die Radioaktivität entdeckt wurde, und man sah, dass die Radioaktivität verschiedene Effekte hervorruft, dass zum Beispiel durch Radioaktivität auch die Ionisation der Luft hervorgerufen wird, also die Luftelektrizität."

Denn radioaktive Strahlung bewirkt, dass die Moleküle der Luft elektrisch aufgeladen werden. Auch vorher schon hatten Wissenschaftler mit Elektrometern auf dem Pariser Eiffelturm und im Freiballon den Effekt der irdischen Radioaktivität in der Höhe untersucht. Ihre Messungen zeigten, dass die Luftelektrizität nicht im erwarteten Maße abnahm. Die Vermutung lag nahe, dass es noch eine andere Strahlungsquelle als den Erdboden geben müsse. Der "Verdacht" fiel zunächst auf die Sonne. Um deren Einfluss zu prüfen, nutzte Hess für seine sieben Ballonfahrten auch die Nachtstunden und die partielle Sonnenfinsternis vom 17. April 1912. Doch egal, ob die Sonne gerade vom Mond oder von der Erde verdeckt war oder nicht, die Messungen blieben konstant – und rätselhaft.

Aufschluss erhoffte sich Hess davon, dass er mit seinen Messinstrumenten in weitere Höhen aufstieg. Während die ersten sechs Flüge auf maximal 2100 Meter gingen, wollte er mit der siebten Fahrt über fünf Kilometer erreichen.

"Um in diese hohen Höhen zu kommen, brauchte man Wasserstoffballons, was nicht ganz ungefährlich ist, weil die können sehr schnell abbrennen. Und dann brauchte man natürlich noch Sauerstoffmasken, kalt ist es auch, also es war schon auch ein Abenteuer."

"Das Wetter war bei dieser Fahrt nicht vollkommen klar. Doch sei ausdrücklich bemerkt, dass wir nie in einer Wolke, ja nicht einmal in der Nähe einer solchen uns befanden."

notierte Hess. Und tatsächlich: Während die Luftelektrizität zunächst etwas abnahm, stieg sie oberhalb von 2000 Metern kontinuierlich an. Weil die Strahlung, die die Aufladung der Luftmoleküle bewirkte, nicht von der Sonne kommen konnte, musste sie aus dem Weltall stammen.

"Die Ergebnisse der vorliegenden Beobachtungen scheinen am ehesten durch die Annahme erklärt werden zu können, dass eine Strahlung von sehr hoher Durchdringungskraft von oben her in unsere Atmosphäre eindringt, und auch noch in deren untersten Schichten einen Teil der beobachteten Ionisation hervorruft."

"Es war dann aber der deutsche Physiker Werner Kohlhörster, der diesen Befund wasserdicht machte. Er führte kurz nach Hess 1913 auch Ballonflüge durch mit einem sehr viel verbesserten Elektrometer, wo also die Messungen zuverlässiger waren, und er ging bis zu über 6000 Meter, wo dann der Effekt sich ganz deutlich zeigte."

Hess nannte die kosmische Strahlung zunächst Höhenstrahlung und wurde 1936 für deren Entdeckung mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet. Doch ihr Ursprung bereitet den Physikern noch immer Kopfzerbrechen. Man vermutet, dass sie aus Supernovae, also explodierten Sternen, oder aus Galaxien mit einem extrem massereichen schwarzen Loch als Zentrum stammt.

In 20 Kilometern Höhe treffen die extrem energiereichen Teilchen auf die Moleküle und Atome der oberen Luftschichten. Dabei erzeugen sie einen bunten Strauß an Elementarteilchen, der auf die Erde niederregnet, Protonen und Elektronen beispielsweise, aber auch Myonen, Neutrinos, Photonen.

"In den 30er und 40er-Jahren, als es noch keine Teilchenbeschleuniger gab, war die kosmische Strahlung das, wo man Elementarteilchenphysik betrieb. Das waren sozusagen die kostenlos zur Erde gesandten hochenergetischen Elementarteilchen."

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