Dies ist der zweite Teil der Geschichte des 17keV-Neutrinos. Im ersten Teil habe ich erzählt, wie J.J. Simpson Hinweise auf ein neues Neutrino mit einer Masse von 17keV fand, das aber durch andere Experimente nicht reproduziert werden konnte.
Eine Weile blieb es still um das neue Teilchen. Es war in einem Experiment gefunden worden, aber mehrere andere hatten es nicht nachweisen können (auch wenn die Analyse, wie oben gezeigt, schwierig war). Die meisten Physiker kümmerten sich nicht weiter um das 17-keV-Neutrino.
Triumph des neuen Teilchens
1989 aber triumphierte Simpson, zusammen mit seinem Koautor Andrew Hime (der wohl sein Doktorand war, wenn ich es richtig verstehe). Sie zeigten die Ergebnisse von zwei unterschiedlichen Experimenten, die mit unterschiedlichen Detektoren arbeiteten und einmal den Zerfall von Tritium, das andere Mal den von Schwefel analysierten. Die Ergebnisse erschienen eindeutig. Hier zunächst das Bild für den Tritiumzerfall (aufgetragen ist wieder die Anzahl der Elektronen gegen die Energie, aber im Lesen dieser Grafiken sind wir ja nach Teil jetzt geübt…):
Genau wie erwartet sieht man den deutlichen Anstieg bei 1,5keV.
Auch beim Schwefel zeigte sich dasselbe Bild, in leicht anderer Auftragung:
Hier ist oben die Verteilung der Elektronen eingetragen, die horizontale Linie zeigt die Erwartung ohne, die geschwungene Linie mit 17-keV-Neutrino. Unten im Bild sind dieselben Daten so normiert, dass sie auf eine Gerade fallen, wenn es ein 17-keV-Neutrino gibt.
Trotzdem war natürlich Skepsis angezeigt: Alle positiven Resultate stammten von einer Arbeitsgruppe, der von Simpson. Waren die Ergebnisse vertrauenswürdig?
Doch 1990 gab es Bestätigung durch ein Experiment des Lawrence Berkeley Laboratory. Diesmal wurde radioaktiver Kohlenstoff in einem Germaniumdetektor verwendet. Auch hier deuteten die Ergebnisse auf ein 17-keV-Neutrino hin. Weitere Experimente von Simpson und Hime bestätigten das Teilchen ebenfalls.
Auf der anderen Seite gab es auch negative Resultate anderer Arbeitsgruppen, die keinen Hinweis auf das neue Teilchen brachten. Es blieb also experimentell umstritten.
Trotzdem war 1991 und 1992 das 17-keV-Neutrino eine ernstzunehmende Möglichkeit. Das regte natürlich auch theoretische Physiker dazu an, sich ihre Gedanken über das neue Teilchen zu machen, aber davon erzähle ich später mehr.
Letztlich waren sich aber alle einig, dass nur bessere Experimente, bei denen statistische Schwankungen möglichst klein waren, die endgültige Antwort liefern konnten.
Das Teilchen verschwindet
Wie oben erläutert, bestand ein Problem bei der Datenanalyse darin, die zu erwartende Kurve aus den Messdaten herauszulesen. Simpson hatte durch eine andere Wahl des verwendeten Energiebereichs ja die negativen Daten von Ohi ins Gegenteil verkehrt. Wie das genau geschehen war, machte eine Analyse von Morrison deutlich. Ein Zoom in die interessante Region knapp oberhalb von 150keV zeigt, wie Simpsons Umdeutung zustande gekommen war: Der Bereich direkt oberhalb von 150keV wurde von Simpson als Basis für die Analyse verwendet. Da hier die Datenpunkte nach rechts ansteigen, fällt eine durch nur diese Punkte gezogene Linie nach unten ab:
Verwendet man diese Linie dann als Horizontale, ergibt sich genau der Anstieg, den Simpson aus den Daten herausgelesen hatte.
Nun war Simpsons Wahl ja nicht ganz willkürlich gewesen – für die Wahl eines so engen Energiebereiches zum festlegen der Nulllinie gab es durchaus Argumente. Letztlich konnte nur eine bessere Statistik mit geringeren Streuungen in den Daten Aufschluss verschaffen.
Diese Experimente wurden 1992 durchgeführt. Ein Experiment in Tokyo verwendete radioaktives Nickel. Es zeichnete sich durch eine extrem gute Statistik (also sehr viele Messwerte) aus. Das Ergebnis war eindeutig:
Oben im Bild die übliche Auftragung gegen die erwartete Energieverteilung im relevanten Energiebereich (der liegt bei Nickel natürlich wieder woanders), unten sind die Daten so normiert, dass die Datenpunkte auf der horizontalen Linie liegen müssten, wenn es das Neutrino geben würde. Die Daten waren so genau, dass eine Änderung des Energieintervalls zum Festlegen der Horizontalen keine Rolle spielte – in jedem Fall blieb das Neutrino verschwunden.
Ein cleveres Experiment dachte man sich in Argonne aus. Man verwendete wieder radioaktiven Schwefel und einen Halbleiterdetektor. Durch ein äußeres Magnetfeld wurden die Elektronen auf den Detektor fokussiert, so dass weniger Elektronen entkamen und die Statistik besser wurde. Das Raffinierteste aber war die Überprüfung der Daten: In einem der Experimente wurden Spuren von radioaktivem Kohlenstoff hinzugefügt. Dieser sendet Elektronen bei Energien von 156keV aus. Der leichte Anstieg im Elektronenspektrum durch den Kohlenstoff konnte problemlos detektiert werden. Das sprach deutlich dafür, dass man auch den Anstieg durch das 17-keV-Neutrino gesehen hätte.
Auch neue Experimente in Berkeley zeigten keinen Hinweis auf das Neutrino.
Schließlich analysierte Hime, der ja zusammen mit Simpson viele positive Experimente veröffentlicht hatte, sein Experiment neu und stellte fest, dass Streueffekte der Elektronen möglicherweise für das Erscheinen des Neutrinos verantwortlich waren.
Eine Neuanalyse der positiven Daten aus Berkeley (von 1991) zeigte zudem, dass in den damaligen Experimenten der radioaktive Kohlenstoff nicht gleichmäßig verteilt gewesen war. Dies konnte eine Verfälschung der Daten bewirkt haben.
Alles in allem zeigten die neuen Experimente nicht nur, dass das Neutrino nicht existierte, eine Neuanalyse alter positiver Experimente zeigte zumindest in einigen (wenn auch nicht in allen) Fällen, dass es Störeinflüsse gegeben hatte, die man zunächst unterschätzt hatte.
Und die Moral von der Geschicht…
Was kann man an allgemeinen Lehren aus dieser Geschichte ziehen?
Hätte sich das 17-keV-Neutrino als tatsächlich existierendes Teilchen herausgestellt, wäre Simpson (zumindest in der Physikergemeinde) berühmt geworden. Das erklärt sicher, warum er das Teilchen hartnäckig weiterverfolgte, auch nachdem 1986 fünf Experimente gegen seine Existenz sprachen. Hinzu kam sicher die unklare Datenbasis und vielleicht (aber das ist jetzt Spekulation) auch die verständliche Überzeugung, dass das eigene Experiment den anderen überlegen sein mochte.
Seine Hartnäckigkeit wurde ja schließlich auch belohnt – er konnte das neue Teilchen in späteren Experimenten scheinbar nachweisen und andere Arbeitsgruppen bestätigten seine Resultate, auch wenn es zu jedem Zeitpunkt auch negative Ergebnisse gab.
Es scheint erstaunlich, dass in mindestens sechs unterschiedlichen Experimenten Hinweise auf das neue Teilchen aufzutauchen schienen. War das wirklich nur Zufall? Vielleicht nicht. Vielleicht hatten einige der Gruppen erwartet, an dieser Stelle etwas zu finden, und deshalb Störeinflüsse im relevanten Bereich nicht sorgfältig genug ausgeschlossen. Es ist denkbar, dass gerade Simpson ein solcher Fehler unterlief – er hatte am meisten zu gewinnen, wenn das Teilchen bestätigt wurde – vielleicht hat ihn das unbewusst ein wenig beeinflusst. Ich will hier Simpson nichts unterstellen, es mag auch sein, dass er einfach nur Pech hatte und mehrfach Störeinflüsse in seinen Detektoren auftraten, die ihm etwas vorgaukelten, das er beim besten Willen nicht hätte erkennen können.
Physik wird von Menschen gemacht, das sollte man nicht vergessen, und diese können sich durchaus einmal irren oder einer Lieblingsidee länger nachhängen, als dies von den Daten gedeckt wird.
Wietfeldt und Norman ziehen in ihrem Review den folgenden Schluss:
We must also consider that subtle psychological effects may have played a role in this story. Scientists are human, and despite their best intentions and almost instinctively skeptical nature, they can be unknowingly influenced by social or subconscious pressures. For example, there is probably a tendency to make an experimental result public more quickly if it corroborates a previously reported result. One is more hesitant to go public if the result is something completely new, allowing more time to study the analysis and systematics. This may tend to bias a group of experiments toward agreement. Once Simpson announced that he had seen evidence of a 17 keV neutrino, a barrier of sorts was reduced. If one then went out and found a similar effect, it was easier to believe it was real and not the result of instrumental effects. As more positive results were reported, the this barrier became even smaller. As a result, some of these experiments may not have undergone the internal scrutiny they otherwise might have. This tendency is compounded by the fact that a positive result isinherently more exciting than a negative one, another possible source of subconscious bias.
[Wir müssen auch in Betracht ziehen, dass subtile psychologische Effekte in dieser Geschichte eine Rolle gespielt haben. Wissenschaftler sind Menschen und trotz bester Absichten und einer fast schon instinktiv skeptischen Natur können sie ohne ihr Wissen durch unterbewussten oder sozialen Druck beeinflusst sein. Beispielsweise gibt es wahrscheinlich eine Tendenz, ein experimentelles Ergebnis schneller zu veröffentlichen wenn es ein bereits bekanntes Ergebnis bestätigt. Man zögert eher, etwas zu veröffentlichen, wenn das Ergebnis etwas vollständig neues ist, und nimmt sich mehr Zeit, um die Analyse und Systematik zu prüfen. Dies kann unterschiedliche Experimente in Richtung auf eine Übereinstimmung beeinflussen. Nachdem Simpson verkündet hatte, dass er Evidenz für ein 17-keV-Neutrino gefunden hatte, war eine Art Hemmschwelle verringert. Wenn danach jemand losging und einen ähnlichen Effekt fand, war es leichter zu glauben, dass dieser real war und nicht das Ergebnis eines Instrumenten-Effekts. Als mehr positive Resultate veröffentlicht wurden, wurde diese Hemmschwelle noch kleiner. Im Endergebnis wurden einige dieser Experimente womöglich nicht so kritisch geprüft, wie es ansonsten der Fall gewesen wäre. Diese Tendenz wird dadurch verstärkt, dass ein positives Ergebnis inhärent aufregender ist als ein negatives, eine andere Quelle für einen unbewussten Einfluss.
Zeigt die 17-keV-Neutrino-Geschichte also, dass die Physik vermutlich voller fehlerhafter Erkenntnisse und voll Wunschdenken steckt?
Ich denke, sie zeigt eher das Gegenteil: Das 17-keV-Neutrino wäre womöglich ein Schlüssel zu neuer, aufregender Physik gewesen. Wären die Physiker von Wunschdenken geprägt, so hätten sie das Teilchen einfach akzeptieren können. Stattdessen wurde Simpsons Entdeckung kritisch geprüft.
Die Schwierigkeiten bei der Datenanalyse (wie bestimmt man die horizontale Erwartungslinie) war allen Beteiligten sehr bewusst. Sie taten deshalb genau das, was zu tun war: Bessere und genauere Experimente wurden entwickelt, bei denen die auftretenden Schwankungen schließlich kleiner waren, neue Analysemethoden wurden verwendet, um die existierenden Experimente noch einmal kritisch zu beleuchten. Das endgültige Ergebnis, dass das Teilchen nicht existiert, hat deshalb eine sehr hohe Verlässlichkeit.
Allerdings muss man auch bedenken, dass ein neues Elementarteilchen für die Physik eine extrem wichtige Erkenntnis darstellt. Es ist deshalb kein Wunder, dass sich andere Physiker die Mühe machen, derartige Experimente zu prüfen und zu wiederholen, bis die Entdeckung über jeden Zweifel erhaben ist. Nicht nur, weil dies aufregend ist, sondern natürlich auch, weil man sich hier einen Ruf als brillanter Experimentator verdienen kann – am Ende müssen ja auch Physiker gelegentlich mal ein Brot kaufen und Miete zahlen.
Hätte es sich dagegen um eine eher unwichtige Entdeckung gehandelt (so etwas wie der 398. Anregungszustand der Kernresonanz XY), dann hätte die Sache vermutlich anders ausgesehen – es hätte lange dauern können, bis der Fehler entdeckt worden wäre. Vielleicht wäre er auch nie entdeckt worden und das Paper über den neuen Anregungszustand wäre in den Regalen verstaubt.
Je unwichtiger eine Entdeckung ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass es methodischer Fehler nicht entdeckt wird – desto folgenloser bleibt der Fehler allerdings auch. In meinem eigenen Arbeitsgebiet kenne ich auch in paar Veröffentlichungen, bei denen ich ziemlich sicher bin, dass sie einer kritischen Prüfung der Methode nicht standhalten würden. Da sie aber eher unbedeutend sind, würde es die Mühe für mich nicht lohnen, diese Arbeiten explizit zu widerlegen. (Anders sieht es natürlich aus, wenn ich solche Arbeiten als Reviewer zu lesen bekomme…)
Bei zentralen, wichtigen Entdeckungen aber sind solche Fehler sehr unwahrscheinlich. Zuviele Menschen werden die Daten kritisch prüfen und wichtige Entdeckungen haben ja auch Einfluss auf unterschiedliche Gebiete der Physik – schnell werden sich also Inkonsistenzen aufzeigen, wenn ein Ergebnis durch andere Methoden geprüft wird.
Es ist genau dieses Wechselspiel zwischen einzelnen Forschern, die unterschiedliche Ziele verfolgen und ihre Arbeit gegenseitig prüfen, das letztlich die Verlässlichkeit der wissenschaftlichen Methode ausmacht. Zentrale und wichtige Resultate der Physik sind normalerweise auf so viele unterschiedliche Arten abgesichert, dass man ihnen gut vertrauen kann.
Im 3. Teil der Geschichte (der wird noch ein oder zwei Tage länger brauchen da ich noch mindestens 20 Veröffentlichungen zumindest grob sichten muss) werde ich die Reaktionen der theoretischen Physiker auf das 17-keV-Neutrino etwas näher beleuchten – dieser Teil der Geschichte hat auch eine persönliche Bedeutung für mich und meine persönliche Bilanz fällt zwiespältig aus…
Quellen für diesen Artikel und alle Bilder:
F.E. Wietfeldt, E.B. Norman
The 17 keV neutrino
Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
Allan Franklin
The appearance and disappearance of the 17-keV neutrino
Reviews of Modern Physics 67, 1995, S. 457
Allan Franklin
Selectivity and the Production of Experimental Results
Arch. Hist. Exact Sci. 53 (1998) 399-485
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