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Teilchenphysik

Maximal unwahrscheinlich – Warten auf Neutrinos

| Autor/ Redakteur: Dr. Andreas Battenberg* / Christian Lüttmann

Wenn sie Erfolg haben, müssen die Physiklehrbücher umgeschrieben werden: Ein internationales Forscherteam versucht, einen Zerfallsprozess nachzuweisen, der nach dem Standardmodell der Teilchenphysik verboten ist und eine enorm lange Halbwertszeit hat. Auch die Masse der geheimnisvollen Neutrinos steht im Forschungsinteresse der Wissenschaftler. Bisher ist vor allem eines klar: Die Teilchen sind extrem leicht.

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Modell des Gerda-Experiments: Detektoren aus mit dem Isotop Germanium 76 angereichertem, hochreinen Germanium werden in einer Abschirmung aus flüssigem Argon betrieben. Sie sollen den nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall detektieren.
Modell des Gerda-Experiments: Detektoren aus mit dem Isotop Germanium 76 angereichertem, hochreinen Germanium werden in einer Abschirmung aus flüssigem Argon betrieben. Sie sollen den nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall detektieren.
(Bild: Gerda Collaboration)

München – Teilchenphysiker brauchen oft viel Geduld. Denn die Grundzutaten von Materie und Energie sind nicht leicht zu untersuchen. Ein Beispiel für schwer zu fassende Teilchen sind die Neutrinos, die sich den meisten Detektionsmethoden entziehen und deshalb auch als „Geisterteilchen“ bekannt sind. Neutrinos werden z.B. beim radioaktiven Beta-Zerfall von Atomkernen frei. Je nach Element findet man dabei Halbwertszeiten vom Bruchteil einer Sekunde bis hin zu Trillionen von Jahren.

Noch ein Vielfaches langsamer beziehungsweise unwahrscheinlicher ist der neutrinolose doppelte Betazerfall, der bisher noch nie experimentell nachgewiesen wurde. Ihm sind Wissenschaftler im italienischen Gran Sasso Untergrundlabor auf der Spur. Dort wollen sie u.a.die Vermutung belegen, dass Materie ohne Antimaterie erzeugt werden kann. Und der neutrinolose doppelte Betazerfall könnte der Schlüssel dazu sein.

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Wenn das Alter des Universums wie ein Wimpernschlag wirkt

Möglich werden soll der Nachweis mithilfe des weltweit empfindlichsten Detektors für diesen Zerfallsprozess. In dem Experiment „Gerda“ (Germanium Detector Array) gelang es den Forschern bereits, den störenden Untergrund bei der Messung weitestgehend zu eliminieren. Damit haben sie gezeigt, dass der gesuchte neutrinolose doppelte Betazerfall, eine Halbwertszeit von mindestens 1026 Jahren haben muss – sofern er denn überhaupt existiert. Das ist das zehn-trillionenfache des Alters des Universums.

Die zuletzt vorgestellten Beobachtungen des Experiments Gerda wurden mit einer Detektormasse von 35,6 kg 76Ge gemacht. Mit dem internationalen Nachfolgeprojekt „Legend“ wollen die Wissenschaftler nun die Detektormasse bis 2021 auf 200 kg 76Ge erhöhen und die Störungen so weit reduzieren, dass nach fünf Jahren eine Empfindlichkeit von 1027 Jahren erreicht ist.

Neutrinos: Teilchen und Antiteilchen zugleich?

Die Forscher vermuten, dass Neutrinos so genannte Majorana-Teilchen sind: Anders als alle anderen Bausteine der Materie könnten sie damit ihre eigenen Antiteilchen sein. Sollte sich dies als richtig herausstellen, könnten Physiker damit auch eine Erklärung liefern, warum es im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie gibt.

Zur Überprüfung der Majorana-Vermutung sucht das Gerda-Experiment nach dem bisher nicht beobachteten neutrinolosen doppelten Betazerfall, und zwar in dem Germanium-Isotop 76Ge. Dort würden sich bei solch einem Zerfallsereignis zwei Neutronen in einem 76Ge-Kern gleichzeitig in zwei Protonen umwandeln, wobei zwei Elektronen emittiert werden, jedoch keine zwei Antineutrinos. Weil diese beiden Antineutrinos – die ausgleichende Antimaterie – fehlen, ist der Zerfall im Standardmodell verboten.

Teilchen mit unmessbar kleiner Masse

Dass noch solche Unsicherheit auf diesem Gebiet der Teilchenphysik herrscht, ist ungewöhnlich. Denn das Standardmodell der Teilchenphysik ist seit seinen Anfängen nahezu unverändert gültig. Widersprüche zwischen Theorie und Experiment haben sich bislang nur bei den besagten Neutrinos gezeigt. Dabei war die so genannte Neutrino-Oszillation die erste Beobachtung, die nicht mit den Vorhersagen übereinstimmte. Sie beweist, dass Neutrinos im Widerspruch zum Standardmodell eine Masse ungleich Null haben und brachte ihren Entdeckern Takaaki Kajita aus Japan und Arthur B. McDonald aus Kanada 2015 den Nobelpreis für Physik.

Wie schwer die Neutrinos tatsächlich sind, ist jedoch weiterhin ein Rätsel. Heute wissen Physiker immerhin schon, dass Neutrinos mindestens hunderttausendmal Mal leichter sind als Elektronen, die nächstschwereren Teilchen. Die Masse der Neutrinos weiter einzugrenzen ist ebenfalls Forschungsthema der Wissenschaftler in Italien.

Eine Erkenntnis der Neutrinoforscher ist, dass die Halbwertszeit des neutrinolosen doppelten Betazerfalls mit einer speziellen Variante der Neutrino-Masse korreliert, der Majorana-Masse. Kombiniert man die Ergebnisse des Gerda-Experiments aus Italien mit denen anderer Doppel-Beta-Zerfallsexperimente, so lässt sich die Masse der Neutrinos bereits weiter eingrenzen: Demnach muss sie mindestens eine Million mal kleiner sein als die des Elektrons. Physikalisch ausgedrückt läge die Masse bei unter 0,07 bis 0,16 eV/c2 (s. Ergänzendes zum Thema).

Ergänzendes zum Thema
Masse in der Teilchenphysik

Massen werden in der Teilchenphysik nicht in Kilogramm angegeben, sondern in Elektronenvolt pro „Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat“. Dies folgt aus der Einsteinschen Gleichung E = m x c2. In Kilogramm wären die Zahlenwerte sonst unvorstellbar klein: 1 eV/c2 entspricht nämlich 1,8 x 10-36 Kilogramm.

Neben Gerda gibt es weitere Experimente zur Eingrenzung der Neutrinomasse. So kommt die jüngste Analyse der Planck-Mission für die Summe der Massen der drei Neutrino-Arten auf unter 0,12 bis 0,66 eV/c2. Das Tritium-Zerfallsexperiment Katrin am Karlsruher Institut für Technologie soll in den kommenden Jahren die Masse des Elektron-Neutrinos mit einer Empfindlichkeit von ca. 0,2 eV/c2 bestimmen. Zwar können die Werte der verschiedenen Experimente nicht direkt miteinander verglichen werden, sie erlauben es aber, die unterschiedlichen Modelle zu überprüfen.

Originalpublikation: The Gerda collaboration: Probing Majorana neutrinos with double beta decayScience, published online on Thursday 5 September, 2019; DOI: 10.1126/science/ aav8613

* Dr. A. Battenberg, Technische Universität München, 80333 München

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