Viktor Hess in Innsbruck

5.   Viktor Hess in Innsbruck

20 Jahre waren vergangen, seit Viktor Hess die Kosmische Strahlung während eines Ballonfluges entdeckt hatte, und trotz zweier Jahrzehnter internationaler Bemühungen und fortgesetzter Forschungsarbeit blieb das Phänomen der Kosmischen Strahlung geheimnisumwittert. Als Viktor Hess 1931 der Berufung nach Innsbruck folgte, tat er das in fieberndem Erwarten. Wohl wusste er um die wenig erfreulichen Umstände, die zu dieser Zeit an der Leopold Franzens Universität herrschten, dass er über wenig Raum verfügen würde und über ein recht beschränktes Budget, um Instrumente und Ausrüstung zu beschaffen. Aber eine andere Aussicht ließ alle Mängel gering erscheinen.

In der Zwischenzeit hatten sich Hess schon die Gelegenheiten geboten, am Groß Obir in Kärnten und am Sonnblick in Salzburg jeweils über kürzere Zeiträume Messungen anzustellen. Die Ergebnisse schienen Hess sehr vielversprechend. Aber in ihm lebte immer noch der Traum eines hochgelegenen Observatoriums, in dem dauerhaft und über Jahre hinweg die Kosmische Strahlung mit viel genaueren Messgeräten bei Tag und bei Nacht gemessen und registriert werden konnte. Hochgelegen sollte es sein, weil in größeren Höhen die Kosmische Strahlung noch weniger durch die Atmosphäre abgeschwächt ist. Die Wahrscheinlichkeit, neue Fakten über die Kosmische Strahlung in Erfahrung zu bringen, musste also wohl mit der Seehöhe ansteigen. Ein Labor, festgemauert in der Erde, sollte es sein, kein Ballon oder Flugzeug, damit Hess’ Präzisionsgeräte erschütterungsfrei und bei konstanter Temperatur aufgestellt werden konnten. Geräte, die auf Grund ihres Gewichts, ihre Größe und ihrer Empfindlichkeit für jegliche Art von Expedition gänzlich ungeeignet waren, in einem hochgelegenen Labor hingegen leicht zu einem vielversprechenden Einsatz kommen konnten. Die Aufstellung solcher Hochleistungspräzisionsmaschinen, und Hess dachte dabei an Steinke’sche Standardapparate wie sie im folgenden beschrieben werden, erforderte außerdem massive Bleiplatten, die das Gerät wie ein Panzer vor der Umgebungsradioaktivität schützen soll. Der Transport dieses Bleipanzers wiederum machte es dringlich erforderlich, dass der hochgelegene Gipfel, auf dem das Labor gebaut werden soll, leicht erreichbar ist. Am besten sollte wohl eine Straße hinaufführen, wie es am Pike’s Peak der Fall war, den Robert Millikan als Laborstandort entdeckte. Ebenfalls geeignet wäre eine Seilbahn, wie sie zum Hafelekar (2300 m) hinaufführt, ein Gipfel der Nordkette (Alpen) unweit von Innsbruck.

Freilich ergriff Viktor Hess unter solchen Umständen die Gelegenheit beim Schopf und ging nach Innsbruck. Mit brachte er große Pläne von einem alpinen Forschungszentrum, das eine Sternwarte, eine meteorologische Beobachtungsstation, Räumlichkeiten für die wissenschaftlichen Teams und ein Observatorium für die Kosmische Strahlung beherbergen sollte. Auf Grund der schwierigen wirtschaftlichen Situtation in der Zwischenkriegszeiten ließ sich nur mit Mühe und Dank Unterstützung seitens der Preußischen Akademie der Wissenschaften, der Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft und der Akademie der Wissenschaften in Wien, eine kleine Blockhütte realisieren, in deren Registrierraum (4.5 x 4.5 m) die Messgeräte auf einem Zementsockel standen.

Um Langzeitmessungen durchzuführen, verwendete Viktor Hess Steinke’sche Standardapparate. Im Prinzip große Ionisationskammern waren sie unter Druck mit CO₂ gefüllt und mit einem Lindemann Elektrometer verbunden, das die Ionisation maß, die von der Kosmischen Strahlung im Inneren der Kammer verursacht wurde. Die Anzeige des Elektrometers wurde in regelmäßigen Abständen durch einen uhrähnlichen Mechanismus photographisch aufgezeichnet. So war der Steinke’sche Apparat in der Lage, über mehrere Tage unbetreut Messwerte zu sammeln.

Abbildung 5-1 Der Steinke’sche Standardapparate

Dieser Steinke’sche Standardapparat befindet sich auch heute noch in der Forschungsstation am Hafelekar. Deutlich zu sehen ist der massive Bleipanzer, der die Ionisationkammer vor der Umgebungsradioaktivität schützen soll. Oben am Panzer befindet sich ein Messgerät, dass die klimatischen Bedingungen registriert.

Damit die Messergebnisse möglichst aussagekräftig blieben, mussten die wesentlichen Umgebungsbedingungen konstant gehalten werden. Die Raumtemperatur wurde mittels elektrischer Heizung auf 13° Celsius gehalten. Während des Winters wurde das Dach der Blockhütte schneefrei gehalten. Außerdem wurden alle Messwerte auf den mittleren Barometerstand von 590 mm Hg am Hafelekar zurückgerechnet. Vom September 1931 an rollte Viktor Hess’ automatisch registrierende Maschinerie. Die einzige Schwierigkeit war jetzt noch, aus dem erhaltenen Datenmaterial neue Erkenntnisse zu gewinnen.

Eine wichtige Frage, die zu diesem Zeitpunkt noch im Raum stand, war die nach der Zusammensetzung der Kosmischen Strahlung. Handelte es sich um eine reine Photonenstrahlung, dann wurde sie dem Namen Ultragammastrahlung gerecht. Wenn sie aber aus geladenen Teilchen oder gar aus Neutronen bestand, dann wäre der Name Ultrastrahlung geeigneter gewesen. Viktor Hess selbst erwartete sich in dieser Angelegenheit wesentliche Fortschritte durch die Erforschung der 1932 von James Chadwick neuentdeckten Neutronen. Mit seinen Ionisationskammern war er freilich kaum in der Lage, ein Neutron nachzuweisen. Aber vom Einsatz der Wilson’schen Nebelkammer versprach er sich einiges. Nachdem aber in dieser Hinsicht andere Forschungsgruppen die besseren Karten in Händen hielten, konzentrierte sich Hess auf die Untersuchung des täglichen Ganges der Kosmischen Strahlung, das bedeutet, auf die regelmäßigen Schwankungen der Intensität der Kosmischen Strahlung mit einer Periode von 24 Stunden.

Ende August 1931 ging die Anlage in Betrieb und während der ersten 9 Monate wurden die Daten aus Abbildung 5-2 aufgenommen.

Was Viktor Hess in dieser Zeit fand, war eine regelmäßige tägliche Schwankung der Ionisationsrate mit einem Nachmittagsmaximum und einem Minimum um Mitternacht. Die Ursache dafür könnte eine Schwankung der Intensität der Kosmischen Strahlung sein, aber auch eine Veränderung meteorologischen Verhältnisse, die sich in der Ionisationsrate niederschlagen konnten. Nicht ganz auszuschließen war auch eine schwankende primäre Strahlungskomponente, die von der Sonne stammte und somit von der Tageszeit abhängig war. Diese Fragen mussten aber ungeklärt bleiben.

Der tägliche Gang der Kosmischen Strahlung lag der Arbeitsgemeinschaft der Ultrastrahlenforscher zu Innsbruck jedenfalls sehr am Herzen. Bis 1936 wurden in dieser Sache genaueste Messungen angestellt, die im Endeffekt das Ergebnis lieferten, dass ein solarer Einfluss auf die Ionisationsrate in der Atmosphäre nicht auszuschließen war.

Einige Zeit versuchte man sich in Innsbruck an Messungen mit der Wilson’schen Nebelkammer. Verwendet wurde eine Nebelkammer mit einem Durchmesser von 12 cm und einem Magnetfeld von 1500 Gauss (0.15 Tesla). Insgesamt wurden 1200 photographische Aufnahmen angefertigt, auf 160 davon konnten Elektronenbahnen identifiziert werden, wobei sich eine Bestimmung der Flugrichtung bzw. der Ladungen als schwierig herausstellte. Nachdem eine horizontale Bleiplatte in die Nebelkammer eingesetzt wurde, um dieses Problem zu beseitigen (vgl. Kapitel 6.1 Die Nebelkammer), konnte nur mehr eine Teilchenbahn gefunden werden, die durch die Platte hindurchging. Diese eine Spur zeigte jedenfalls vor und nach der Platte keine erkennbare Krümmung. Aus den Krümmungsradien der Teilchenbahnen konnte auf Teilchenenergien zwischen 10⁵ und 10⁷ eV geschlossen werden. Die Frage, ob die detektierten Teilchen der primären oder sekundären Kosmischen Strahlung angehörten, konnte nie mit Sicherheit beantwortet werden.

Wenn man die Ergebnisse der ausgedehnten Messungen von Viktor Hess in seinen Innsbrucker Jahren zusammenfasst, so kann man sich kaum des Eindrucks erwehren, dass der beharrliche Einsatz von Ionisationskammern nur geringe neue Erkenntnisse über die Natur der Kosmischen Strahlung brachte. Die großen Entdeckungen, die in der Kosmischen Strahlung noch ihrer Entdecker harrten, wurden dann auch andernorts mit anderen Geräten gemacht.

Trotz alledem sollte die Forschungsstation am Hafelekar noch Schauplatz einer epochalen Entdeckung werden, nämlich der Kosmischen Sterne. (vgl. 7.4 Die Kosmischen Sterne).

Die Originalarbeiten von Viktor Hess aus seiner Innsbrucker Zeit sind im Literaturverzeichnis unter folgenden Nummern angeführt.

[13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30]