Elementarteilchen

Neutrinos wechseln ihre Identität

Von Manfred Lindinger
13.07.2004
, 21:08
Japanische Neutrinofalle in 41 Metern Tiefe.
Die Erforschung der winzigen Neutrinos ist ein schwieriges Feld. Doch in Japan werden Fahndungserfolge vermeldet: Die Teilchen oszillieren ohne Unterlaß
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Neutrinos sind wohl die rätselhaftesten Partikeln, die der Zoo der Elementarteilchen zu bieten hat. In jeder Sekunde durchqueren Abermilliarden die Erde, ohne irgendwelche Spuren zu hinterlassen oder Schäden anzurichten. Der Löwenanteil entsteht im Inneren der Sonne und in der Höhenstrahlung. Sie lassen sich aber auch in Teilchenbeschleunigern und Kernreaktoren künstlich erzeugen.

Den gängigen Theorien zufolge sollten die flüchtigen Teilchen keine Masse besitzen. Seit einiger Zeit verdichten sich die Hinweise darauf, daß dem jedoch nicht so ist, was für die Theoretiker eine große Herausforderung darstellt. Die Experimentalphysiker indes werden nicht müde, ihre Ergebnisse mit immer ausgefeilteren Experimenten zu untermauern. Zwei internationale Forschergruppen haben jetzt neue Resultate vorgelegt, die das Standardmodell der Physik wohl nun endgültig ins Wanken bringen.

Erforschung schwierig

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Neutrinos sind wie Quarks oder Elektronen fundamentale Bausteine der Materie. Die neutralen Teilchen treten als Elektron-, Myon- oder Tau-Neutrinos auf. Während Elektron-Neutrinos vor allem beim radioaktiven Beta-Zerfall und bei Fusionsprozessen entstehen, werden Myon- und Tau-Neutrinos bei Kernreaktionen erzeugt.

Was die Erforschung der Neutrinos so schwierig gestaltet, ist der Umstand, daß sie weder durch die elektromagnetische noch durch die starke Kraft beeinflußt werden. Als schwach wechselwirkende Teilchen durchdringen sie somit fast ungehindert jegliche Materie. Nur weil so viele von ihnen auf die Erde niedergehen, gelingt es, mit riesigen mit Wasser gefüllten Detektoren, die zum Schutz vor der Höhenstrahlung tief unter der Erde installiert sind, ab und zu einiger dieser Teilchen habhaft zu werden.

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Umwandlung der Neutrinos

Vor sechs Jahren sorgte eine japanisch-amerikanische Forschergruppe für großes Aufsehen. Sie hatten mit ihrem Super-Kamiokande-Detektor, der in einer Mine in der Nähe der japanischen Stadt Kamioka untergebracht ist, das bis dahin stärkste Indiz geliefert, daß sich Myon-Neutrinos in andere Neutrinos umwandeln können. Die Voraussetzung für eine solche Neutrino-Oszillation ist, daß diese Teilchen eine Masse besitzen. Die Forscher konzentrierten sich auf jene Neutrinos, die entstehen, wenn die Höhenstrahlung auf die Erdatmosphäre trifft. Theoretisch sollten sich dabei doppelt so viele Myon- wie Elektron-Neutrinos bilden.

Bei der Messung wurde aber ein geringerer Anteil gefunden. Es zeigte sich, daß dieses Defizit abhängig davon ist, ob die Teilchen von oben oder von unten - durch die Erde hindurch - in den Detektor gelangen. Offensichtlich haben die Myon-Neutrinos bei ihrem Weg zu den Detektoren, abhängig von der Länge der Flugstrecke, ihre Identität verloren und sich in andere Teilchen umgewandelt. Ähnliche Befunde lieferten vor zwei Jahren amerikanische, britische und kanadische Forscher, als sie mit dem unterirdischen Sudbury Neutrino Observatory in der Nähe der Stadt Sudbury in Ontario die Zahl der Elektron-Neutrinos von der Sonne im Detail vermaßen.

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Kaum mehr Zweifel an der Masse der Myon-Neutrinos

Da man in beiden Fällen Neutrinos natürlichen Ursprungs genutzt hat, waren die experimentellen Daten aber mit einer gewissen Unsicherheit behaftet, was besonders beim japanischen Experiment reichlich Raum für Spekulationen und Schlupflöcher ließ. Insbesondere konnte man nur den Mangel an Myon-Neutrinos nachweisen, nicht aber ein sinusförmiges Verhalten, wie es für Teilchen-Oszillationen charakteristisch ist.

Seitdem hat man in Japan emsig weitere Daten gesammelt und die Statistik damit deutlich verbessert. Das ist der Forschergruppe, an der mehr als hundert Wissenschaftler beteiligt sind, bei der jüngsten Analyse zugute gekommen. Man nahm nun vor allem jene Ereignisse unter die Lupe, die von Myon-Neutrinos herrührten, deren Flugstrecken und Energien sich recht gut ermitteln ließen. Den Wissenschaftlern ist es damit jetzt gelungen, tatsächlich eine oszillatorische Abhängigkeit der registrierten Neutrinozahl vom zurückgelegten Weg und der Energie zweifelsfrei aufzuzeigen.

Wie die Forscher in einer der kommenden Ausgaben der Zeitschrift "Physical Review Letters" berichten, kann nun niemand mehr ernsthaft bezweifeln, daß die Myon-Neutrinos eine Masse besitzen und sich bei ihrem Flug in Tau-Neutrinos verwandeln. Letztere können mit dem Kamiokande-Detektor zwar nicht nachgewiesen werden. Andere mögliche Kandidaten - wie das bislang nur in den Köpfen der Theoretiker existierende ominöse sterile Neutrino - können nun aber definitiv ausgeschlossen werden.

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Bestechende Ergebnisse

Um weitere Klarheit über die Neutrino-Oszillationen zu gewinnen, hat man vor einigen Jahren Experimente ersonnen, bei denen man Neutrinos kontrolliert mit Teilchenbeschleunigern erzeugt und durch zwei hintereinander, aber in großem Abstand stehende Detektoren leitet. Dies ist das Ziel des japanischen "Long Baseline Neutrino Oscillation Experiment", das seit fünf Jahren Daten sammelt. Mit dem Kek-Beschleuniger bei der Stadt Tsukuba wird ein intensiver Strahl Myon-Neutrinos erzeugt, der zunächst einen benachbarten Detektor und dann den 250 Kilometer entfernten Super-Kamiokande-Detektor durchquert.

Die nun vorgelegten Ergebnisse sind bestechend: Tatsächlich hat der Detektor in Kamioka rund ein Drittel weniger Neutrinos registriert als der Detektor in Tsukuba. Ähnliche Laborexperimente werden in einigen Monaten in Europa und in den Vereinigten Staaten erste Daten liefern. Währenddessen basteln die Theoretiker eifrig an besseren theoretischen Modellen.

Quelle: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 14.07.2004, Nr. 161 / Seite 30
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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