Elementarteilchenphysik

Freudige Begegnung der 4. Art?

Von Manfred Lindinger
 - 19:04

Gibt es neben den drei bekannten Neutrinosorten – den Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos – noch eine vierte, bislang unbekannte Art? Seit einem umstrittenen positiven Befund aus den neunziger Jahren, haben diese als sterile Neutrinos bezeichneten Elementarteilchen immer wieder Anlass zu Spekulationen gegeben. Nun hat die Diskussion eine unerwartete Wendung genommen. Physiker des amerikanischen Neutrino-Observatorium „MiniBoone“ haben in ihren Daten deutliche Hinweise gefunden, die sich mit der Existenz von sterilen Neutrinos erklären ließen. Sollte sich die Beobachtung bestätigen, wäre das eine Sensation. Denn die Existenz von sterilen Neutrinos ist im Standardmodell der Elementarteilchenphysik nicht vorgesehen. Sterile Neutrinos werden unter anderem als Kandidaten für die mysteriöse „Dunkle Materie“ gehandelt, die den Löwenanteil der Materie im Universum ausmacht, deren Beschaffenheit man jedoch noch immer nicht kennt.

Während Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos nur der Schwerkraft und der schwachen Wechselwirkung unterliegen, was ihren Nachweis erheblich erschwert, sollten sterile Neutrinos – abgesehen von der Gravitation – überhaupt nicht mit Materie wechselwirken. Das würde zumindest erklären, warum man sie bislang nicht aufgespürt hat, mit Ausnahme des „Liquid Scintillator Detector“ (LSND)“ am Los Alamos National Laboratory bei Santa Fe. Dort hatte man untersucht, ob sich die drei bekannten Neutrinosorten in einander umwandeln können – ein Effekt, den man als Neutrino-Oszillation bezeichnet. Und in der Tat hatte man in den Messdaten, die 1996 publiziert wurden, Hinweise auf solche Oszillationen gefunden. Allerdings konnten die Ergebnisse weder mit den etablierten theoretischen Modellen erklärt, noch von anderen Experimenten bestätigt werden. Sie ließen sich aber mit dem Auftreten hypothetischer steriler Neutrinos erklären.

Verräterischer Überschuss

Das „Mini Booster Neutrino Experiment“ (kurz Miniboone), das am Fermilab bei Chicago im Jahr 2002 seinen Betrieb aufnahm, sollte endlich Klarheit in diese Angelegenheit bringen. Wie bei LSND zuvor konzentriert man sich bei Miniboone auf den Nachweis von Neutrino-Oszillationen. Dazu werden Myon-Neutrinos mit einem Teilchenbeschleuniger des Fermilab erzeugt und in Richtung des Observatoriums geschickt, das allerdings nur 500 Meter Luftlinie von der Neutrinoquelle entfernt ist. Dort werden die ankommenden Neutrinos in einer zwölf Meter großen, mit Mineralöl gefüllten Stahlkugel nachgewiesen. Treffen die Neutrinos auf die Kohlenstoffatome des Öls, reagieren sie hin und wieder mit deren Atomkernen. Dabei entsteht charakteristische Strahlung. Diese wird von 1500 Lichtdetektoren registriert, mit denen die Innenseite des Öltanks ausgekleidet ist.

Um die Existenz steriler Neutrinos nachzuweisen, ist die Strecke zwischen Neutrinoquelle und Miniboone extra kurz gewählt worden. Für die Umwandlung von Myon-Neutrinos in Elektronen-Neutrinos ist sie nicht lang genug. Würde man auf einer solch kurzen Distanz einen Überschuss an Elektron-Neutrinos messen, könnte er nur aus der Oszillation von sterilen Neutrinos stammen, so die Überlegung.

Ersehnter Hinweis auf eine neue Physik?

Im Jahr 2007 wurden die ersten Messergebnisse publiziert: In den Daten fand sich kein signifikanter Überschuss an Elektronen-Neutrinos. Damit schien die These von den sterilen Neutrinos erst mal vom Tisch. Allein ein einzelnes, unerwartetes Signal hatte im Detektor seine Spuren hinterlassen. Es war im niedrigen Energiebereich aufgetaucht. Um dort weiter zu suchen und exotische Modelle für Neutrino-Oszillationen zu testen, entschloss man sich, weiter zu messen.

Und offenkundig hat sich die Mühe gelohnt. Die Physiker haben insgesamt mehr als 400 Ereignisse registriert, die man Elektronen-Neutrinos in einem Energiebereich zwischen 200 und 1250 Megaelektronenvolt zuordnen kann. Die Standardabweichung geben die Forscher in ihrer Veröffentlichung, die seit Donnerstag auf dem Preprint-Server „arXiv“ für Jedermann frei zugänglich ist, mit 4,8 Sigma an. Damit ist die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei den Messergebnissen um statistische Fluktuationen handelt, gering. Die Wissenschaftler von „Miniboone“ haben ihre Daten anschließend mit den Messwerten von LSND kombiniert und die Datenreihe analysiert. Die ermittelte Standardabweichung geben sie mit 6,1 Sigma an. Damit scheinen die alten LSND-Daten endlich eine Bestätigung erhalten zu haben.

Ist damit der Nachweis steriler Neutrinos gelungen? Die Forschergruppe erwähnt diese vierte Neutrinosorte in ihrem Artikel selbst nicht und verweist auf weiterführende Analysen. Dessen ungeachtet wird in den sozialen Medien bereits heftig über die Ergebnisse vom Fermilab diskutiert. Viele Kommentare sind euphorisch, hat man mit den sterilen Neutrinos doch endlich ein klares Signal für die lang gesuchte neue Physik jenseits des bewährten Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Nun sind die Theoretiker gefragt, die experimentellen Befunde von Miniboone zu erklären.

Quelle: F.A.Z.net
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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