Teilchenphysik Suche nach der verlorenen Antimaterie

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Neutrinos sind extrem schwer nachzuweisen, da sie kaum mit anderer Materie wechselwirken. Ihre geheimnisvollen Eigenschaften brachten ihnen den Spitznamen „Geisterteilchen“ ein. Forscher setzen auf gigantische Versuchsanlagen, um die Geheimnisse der Neutrinos zu entschlüsseln – und dabei dem Verbleib der Antimaterie auf den Grund zu gehen.

Wo ist die ganze Antimaterie geblieben? Dieser Frage gehen Forschende der RWTH Aachen auf den Grund. Sie haben zu einer internationalen Studie beigetragen, die neues Licht auf eines der hartnäckigsten Rätsel des Universums wirft: Warum dominiert Materie gegenüber Antimaterie?

Zwei der weltweit größten Neutrino-Experimente – T2K in Japan und Nova in den Vereinigten Staaten – haben nun wichtige Erkenntnisse über die grundlegenden Mechanismen des Universums geliefert. Die Versuche haben präziser als je zuvor gemessen, wie geheimnisvolle subatomare Teilchen, so genannte Neutrinos, oszillieren beziehungsweise ihre Identität verändern. Ihre gemeinsamen Ergebnisse deuten auf eine Lösung für das Problem der fehlenden Antimaterie im Universum hin und ebnen den Weg zu einem umfassenderen Verständnis der Entwicklung des Universums.

Internationales Forschungsprojekt in China

Gigantisches Observatorium macht Jagd auf Neutrinos

Rund 300 Kilometer langer Versuchsaufbau

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Stefan Roth vom III. Physikalischen Institut der RWTH Aachen war maßgeblich am japanisch geführten T2K-Experiment beteiligt. Um die schwer fassbaren Teilchen überhaupt nachweisen und untersuchen zu können, errichteten die Forschenden riesige Detektoren und nutzten Teilchenbeschleuniger, die hochfokussierte Neutrinostrahlen erzeugen.

Im T2K-Experiment wird ein hochintensiver Neutrinostrahl im J-PARC-Beschleunigerkomplex an der Ostküste Japans erzeugt, indem ein Protonenstrahl auf ein Graphit-Target gerichtet wird. Der Strahl wird zunächst an einem Nahdetektor 280 Meter hinter dem Graphit-Target gemessen, bevor er 295 Kilometer durch die Erde zurücklegt zum Super-Kamiokande-Detektor– einem riesigen zylindrischen Tank (41,4 Meter hoch und 39,3 Meter im Durchmesser) mit 50.000 Tonnen hochreinen Wassers, der sich 1.000 Meter unter der Erde in einer Mine im Westen Japans befindet. Das Team der RWTH Aachen war maßgeblich am Bau des Nahdetektorkomplexes beteiligt, der es ermöglicht, die Neutrinos nahe ihrer Entstehung genau zu charakterisieren – ein wesentlicher Schritt für die Interpretation der Hunderte von Kilometern entfernt gemessenen Oszillationen.

Dieses Video gibt in zehn Minuten einen Einblick in die aufwändige Neutrinoforschung a japanischen Detektor und wirft einen Blick auf das T2K-Experiment:

Massenphänomen der Materie

Als das Universum vor etwa 14 Milliarden Jahren mit dem Urknall entstand, sollten nach Ansicht der Physiker Materie und Antimaterie – im Wesentlichen das Spiegelbild der Materie – in gleichen Mengen entstanden sein. Dennoch ist die Antimaterie im heutigen Universum nahezu vollständig verschwunden – ein Rätsel, das die Forschenden seit Jahrzehnten beschäftigt.

Neutrinos, die häufigsten massiven Teilchen im Universum, könnten den Schlüssel zur Lösung liefern. Sie entstehen in riesigen Mengen in der Sonne oder in Kernreaktoren, interagieren jedoch kaum mit anderer Materie – Billionen von ihnen durchdringen jede Sekunde den menschlichen Körper, ohne Spuren zu hinterlassen.

Bekannt ist bereits: Neutrinos oszillieren zwischen drei verschiedenen Zuständen, so genannten Flavours. Diese Zustände weisen jeweils eine unterschiedliche Masse auf, wie die Teilchenforscher Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald bereits nachgewiesen hatten und für diese Entdeckung 2015 mit dem Physik-Nobelpreis geehrt wurden.

Ziel der aktuellen Studie war es, diese Oszillationen deutlich präziser als bisher zu messen. Sie sind von besonderem Interesse, weil sie Aufschluss über die Symmetrie und Asymmetrie zwischen Neutrinos und ihren Antimaterie-Gegenstücken, den Antineutrinos, geben können. Jede beobachtete Asymmetrie könnte Hinweise auf die fehlende Antimaterie im Universum liefern.

Originalpublikation: The NOvA Collaboration, The T2K Collaboration: Joint neutrino oscillation analysis from the T2K and NOvA experiments, Nature 646, 818–824 (2025); DOI: 10.1038/s41586-025-09599-3

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