NEUTRINOS
Gesuchte Neutrinoverwandlung beobachtet
von Stefan Deiters
astronews.com
13. März 2012

Teilchenphysiker auf der ganzen Welt bemühen sich seit Jahren, eine vermutete, aber bislang noch nicht sicher bestätigte Transformation von Neutrinos zu beobachten. Von ihrem Nachweis erhoffen sich die Wissenschaftler letztlich neue Erkenntnisse über die Entstehung der Materie im Universum. Ein internationales Forscherteam meldet nun einen entscheidenden Erfolg.

Blick in einen Detektortank in Daya Bay. Foto: Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory

"Physiker auf der ganzen Welt haben an fünf verschiedenen Experimenten versucht, als erste diesen Prozess zu messen", freut sich Robert McKeown vom California Institute of Technology über den Erfolg des Teams, in dem er selbst mitarbeitet. "Unsere präzisen Messungen mit dem Daya Bay Experiment liefern nun die noch fehlende Information, um die Transformationen der Neutrinos zu verstehen."

Neutrinos sind Elementarteilchen, deren Verhalten sich so gar nicht mit unseren Erfahrungen aus dem Alltag verträgt: Sie durchdringen praktisch alles und wechselwirken dabei nur äußerst selten mit anderen Partikeln, was ihre Untersuchung zu einer großen Herausforderung macht - und dies, obwohl uns in jeder Sekunde Milliarden von Neutrinos durchströmen.

Doch damit nicht genug: Neutrinos gibt es zudem in drei verschiedenen Sorten, nämlich als Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Und diese können sich sogar im freien Flug von einem Typ in den anderen umwandeln. Die Teilchenphysiker nennen dies Neutrino-Oszillation. Die Entdeckung dieser Oszillationen half, das solare Neutrino-Problem zu lösen. Man hatte nämlich festgestellt, dass auf der Erde weniger solare Neutrinos ankommen als bei den Fusionsprozessen in der Sonne eigentlich entstehen sollten und begann schon zu zweifeln, ob man die Vorgänge im Inneren unseres Zentralgestirns tatsächlich richtig verstanden hatte. Schließlich stellte sich aber heraus, dass sich ein Teil der Neutrinos auf dem Weg zur Erde in einen anderen Typ verwandelt hatte.

Die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Neutrino-Sorten beschreiben die Wissenschaftler mit Hilfe von drei sogenannten Mischungswinkeln theta12, theta23 und theta13, mit denen sich berechnen lässt, wie häufig Übergänge zwischen den einzelnen Typen zu erwarten sind. Zwei dieser Mischungswinkel sind seit längerem bekannt, nach dem letzten noch fehlenden Wert, theta13, haben Teilchenphysiker auf der ganzen Welt gesucht. Er betrifft die Umwandlung des Elektron-Neutrinos in andere Typen. In den vergangenen Jahren hatte es allerdings schon Hinweise gegeben, dass dieser Mischungswinkel mit hoher Wahrscheinlichkeit größer als Null ist. Und auch eine obere Grenze hatten Physiker schon bestimmt (astronews.com berichtete).

Die Messung von theta13 gelang nun am Daya Bay Neutrino Experiment, das sich in China in der Nähe von Hongkong befindet. Es besteht derzeit aus sechs mit Flüssigkeit gefüllten Tanks, mit deren Hilfe Antineutrinos nachgewiesen werden sollen, die in einem nahegelegenen Kernreaktor entstehen. Drei dieser Neutrinodetektoren befinden sich etwa 400 Meter vom Reaktor entfernt, die anderen drei rund 1.700 Meter.

Bei den Nuklearreaktionen im Reaktor entstehen Elektron-Antineutrinos, die sich mit beiden Detektoren nachweisen lassen. Allerdings registrieren die entfernteren Detektoren weniger Elektron-Antineutrinos als erwartet, da sich ein Teil dieser Antineutrinos in Myon- oder Tau-Antineutrinos umgewandelt haben. Diese lassen sich zwar nicht direkt beobachten, doch können die Wissenschaftler aus den fehlenden Elektron-Antineutrinos auf den gesuchten Mischungswinkel theta13 schließen. Aus den sechs Prozent weniger gemessenen Elektron-Antineutrinos in den entfernteren drei Detektortanks folgt, so die Forscher in einem Artikel für die Fachzeitschrift Physical Review Letters, ein theta13 von genau 8,8 Grad. Das Verfahren zur Messung gleicht einem Experiment, das auch an einem französischen Reaktor durchgeführt werden soll (astronews.com berichtete).

Die am Daya Bay Experiment beteiligten Wissenschaftler beschreiben den gefundenen Wert für theta13 als "vergleichsweise groß" und wollen in den kommenden Monaten weitere Daten sammeln, um statistische und systematische Fehler auszubügeln. Das Daya Bay Experiment ist ganz neu und die jetzt präsentierten Resultate sind das Ergebnis der Auswertung der ersten Daten der Anlage, die noch gar nicht ihre geplante Endausbaustufe erreicht hat. Im Sommer soll deswegen die Datensammlung unterbrochen werden, um noch weitere Detektoren installieren zu können.

Dass nun alle drei Mischungswinkel bekannt sind, ist ein wichtiger Schritt zur nächsten Phase von Neutrinoexperimenten, bei denen man beispielsweise herausfinden möchte, welches der drei Neutrino-Typen der massereichste Typ ist und ob es Unterschiede in der Oszillation von Neutrinos und Antineutrinos gibt. Letztlich sollen die Experimente aber die Frage klären helfen, warum es eigentlich Materie im Universum gibt. Im Urknall sollten nämlich gleich große Mengen von Materie und Antimaterie entstanden sein. Beide müssten sich dann eigentlich gegenseitig komplett ausgelöscht haben. Offenbar ist dies aber nicht passiert, denn sonst könnten wir uns heute nicht Gedanken darüber machen, wieso dies nicht geschehen ist.