Neutrinos: Geisterteilchen mit wechselhaftem Ego

Blick in den Neutrino-Detektor von Chooz nach dem Einsetzen beider Plexiglasbehälter. (Foto: Double-Chooz Collaboration

06.09.2011, Pressemitteilungen

Bislang ist unbekannt, nach welchen Regeln Neutrinos ihre Identität ändern. Eine Studie, an der Wissenschaftler des Exzellenzclusters Universe an der TU München beteiligt waren, hat nun offenbart, dass wohl auch der letzte von drei Parametern, die die Oszillation der Neutrinos beschreiben, größer als Null ist. Diese Neutrino-Eigenschaft würde letztlich erklären helfen, warum im frühen Universum überhaupt Materie entstehen konnte. Die Arbeit erscheint in einer der nächsten Ausgaben des Fachjournals Physical Review D. Weitere Messungen der Neutrino-Eigenschaften finden derzeit in einem auf fünf Jahre angelegten Experiment in der französischen Stadt Chooz statt.

Geheimnisvoll waren sie immer. 26 Jahre mussten vergehen, ehe sich die Vorhersage der theoretischen Physik bestätigte und die Existenz der Neutrinos 1956 endlich experimentell nachgewiesen wurde. Der Grund für diese Geduldsprobe: Neutrinos interagieren nur über die schwache Wechselwirkung mit anderen Materieteilchen. Nähert sich ein kosmisches Neutrino der Erde, hat es beste Chancen, ungehindert den gesamten Erdball zu durchqueren. Entsprechend schwierig ist ein direkter Nachweis der Neutrinos mit Hilfe eines Detektors. Weitere Jahrzehnte dann die Diskussion um ihre Massen: Null oder klein mit endlicher Masse? Inzwischen gilt als sicher, dass die Geisterteilchen massebehaftet sind, wenn auch in beinahe verschwindendem Maße: kein Neutrino dürfte nach heutiger Kenntnis schwerer sein als ein Elektronenvolt (ein Elektron „wiegt“ etwa 500.000 eV). Drei Neutrino-Sorten gibt es, auch das gilt heute als gesichert, so dass sie sich im Rahmen des Standardmodells bequem jeweils einer der drei Teilchenfamilien zuordnen lassen.

Das Wissen um die Neutrino-Masse rührt von zahlreichen Experimenten, in denen so genannte Neutrino-Oszillationen beobachtet wurden. Frei durch den Raum fliegende Neutrinos einer bestimmten Familie (z.B. das Elektron-Neutrino) können sich spontan in ein Neutrino von anderer Familienzugehörigkeit (das Myon-Neutrino oder das Tau-Neutrino) verwandeln. Von einer Oszillation spricht man, weil das Neutrino seine Familienzugehörigkeit während einer ausgedehnten Reise periodisch wechseln kann. Möglich sind solche Oszillationen nur, wenn die Teilchen massebehaftet sind. Der experimentelle Nachweis der Neutrino-Oszillationen (und damit einer von Null verschiedenen Neutrino-Masse) gehört zu den großen Durchbrüchen der modernen Teilchenphysik in den vergangenen 20 Jahren.

Erste Hinweise kamen aus Frankreich

Die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Neutrino-Familien hängen von den drei so genannten Mischungswinkeln Theta 12, Theta 23 und Theta 13 ab. Sie und die Unterschiede in den Teilchenmassen bestimmen, wie häufig Übergänge zwischen den einzelnen Familien zu erwarten sind. Zwei der Mischungswinkel sind bereits bekannt, der Wert des verbleibenden dritten, Theta 13, ist derzeit Gegenstand der Forschung. Bekannt war bisher lediglich, dass es sich um einen kleinen Wert handeln sollte, verglichen mit den beiden anderen; insbesondere konnte Theta 13 = 0 nicht ausgeschlossen werden. Bereits mehrere unabhängige Projekte gingen in der Vergangenheit daran, den schwer zu bändigenden Parameter zu bestimmen – ohne Erfolg. Dem Chooz-Experiment in Frankreich gelang es 1998 immerhin eine obere Grenze anzugeben: die Forscher konnten damals zeigen, dass die von Theta 13 verursachte Schwingung nicht größer als etwa ein Zehntel der beiden anderen Mischungsparameter sein kann.

Vor drei Jahren gelang einer Gruppe theoretischer Physiker, darunter Antonio Palazzo, heute am Exzellenzcluster Universe, ein weiterer wichtiger Schritt: Zusammen mit seinen damaligen Kollegen an der Universität und am INFN Bari (Italien) konnte Antonio Palazzo die ersten Hinweise auf einen endlichen Wert von Theta ausmachen. Grundlage für dieses Ergebnis war eine genaue Analyse aller bis dahin verfügbaren experimentellen Daten zur Neutrino-Oszillation. Mit den Experimenten MINOS und T2K (Tokai to Kamioka) konnten Wissenschaftler den Wert in der Zwischenzeit weiter eingrenzen. Auch hier deutet alles auf einen endlichen Wert von Theta 13 hin; die Theoretiker sehen sich damit bestätigt. Doch damit nicht genug. Dieselbe Gruppe unternahm in der Folge eine statistische Auswertung, in die sowohl ihre neuen Daten als auch frühere Ergebnisse des T2K- und des MINOS-Experiments eingeflossen sind. Das Resultat: sin²Theta 13 ≈ 0.02 bei einem Konfidenzniveau von mindestens 3 Sigma. Die Wahrscheinlichkeit, dass Theta = 0 ist, liegt damit bei 1:400.

Suche nach der Nadel im Heuhaufen

Doch Physiker sind vorsichtige Zeitgenossen. Um einen sicheren Nachweis für eine neue Entdeckung führen zu können, brauchen sie ein Konfidenzniveau von 5 Sigma. Damit würde sich die Wahrscheinlichkeit von Theta 13 = 0 auf 1:1 Million verringern. Daher starten die Forscher nun weitere Projekte. Eine wesentliche Rolle wird dabei das Reaktor-Experiment Double-Chooz spielen, an dem Physiker des Universe Clusters maßgeblich beteiligt sind. Dazu wurde eine besonders effektive, irdische Neutrino-Quelle erschlossen: Genauer gesagt handelt es sich um Antineutrinos, die bei den Spaltprozessen in einem Atomkraftwerk in besonders hoher Rate erzeugt und emittiert werden: Etwa 1020 Antineutrinos verlassen in jeder Sekunde einen typischen Reaktor. Deswegen haben Wissenschaftler nahe dem AKW in der französischen Gemeinde Chooz ein Nachfolgerexperiment des früheren Chooz-Projektes ins Leben gerufen. Im Rahmen des neuen Experiments soll der Wert von Theta 13 mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen werden.

Das Prinzip des Double-Chooz-Experiments ist denkbar einfach: Unmittelbar nach ihrer Erzeugung im Reaktor trifft ein Teil der Antineutrinos auf einen nur 400 Meter entfernt gelegenen Detektor. Die räumliche Nähe stellt sicher, dass es zwischen Emission und erster Detektion zu keinen (oder nur äußerst wenigen) Oszillationen kommt. Der erste Detektor misst daher überwiegend Elektron-Antineutrinos, die noch keine Zeit hatten, sich in Myon- oder Tau-Antineutrinos zu verwandeln. Ein zweiter Detektor von identischer Bauweise liegt etwa 1.050 Meter vom Reaktor entfernt. Wenn der Wert des Mischungswinkels Theta 13 groß genug ist, wird ein Teil der Elektron-Antineutrinos zu Myon- oder Tau-Antineutrinos. Damit ist die am zweiten Detektor gemessene Elektron-Antineutrino-Rate deutlich geringer, als dies ohne Oszillationen zu erwarten wäre.

Fünf Jahre dauert die Suche

Beide Detektoren sind mit etwa 10 Tonnen einer Szintillationsflüssigkeit gefüllt. Tritt ein Elektron-Antineutrino in Wechselwirkung mit einem Proton innerhalb der Flüssigkeit, kommt es zum inversen Beta-Zerfall: Das Elektron-Antineutrino wird von einem Proton eingefangen, das sich unter Emission eines Positrons in ein Neutron umwandelt. Beide Teilchen erzeugen in der Flüssigkeit kurze Blitze, die einem festgelegten Zeitintervall folgen. 390 Photo-Sensoren an den Gefäßwänden registrieren die Geschehnisse. Das Double-Chooz-Experiment läuft seit April 2011 und hält in den kommenden fünf Jahren nach entsprechenden Signalen Ausschau. Im Rahmen der TAUP-Konferenz vom 5. bis 9. September 2011 in München wird ausführlich über den Status des Experiments berichtet. Erste Ergebnisse werden zum Ende dieses Jahres erwartet.

Sollte sich die Hypothese, dass Theta größer als Null ist und damit alle drei Mischungswinkel größer Null sind, bestätigen, hätten Neutrinos die größtmöglichen Freiheitsgrade, von einer Familie zur nächsten zu wechseln. Diese Freiheitsgrade eröffnen den Forschern interessante Perspektiven, da sie die Voraussetzung für eine Verletzung der CP-Symmetrie (eine kombinierte Symmetrie der Eigenschaften Ladung und Parität) im leptonischen Sektor bilden. Eine mögliche Folge wäre zum Beispiel ein unterschiedliches Verhalten von Neutrinos und Antineutrinos. Die Neutrino-Physiker nehmen jetzt den Nachweis der CP-Verletzung ins Visier und erhoffen sich sich daraus Antworten für einige offenen Fragen der modernen Physik. Insbesondere könnte bald geklärt werden, ob Neutrinos für den minimalen Überschuss von Materie gegenüber Antimaterie im frühen Universum verantwortlich waren. Ohne diese Asymmetrie hätte sich alle Materie kurz nach der Geburt des Universums in Strahlung verwandelt – es gäbe keine Galaxien, keine Sterne und Planeten, und niemanden, der Theta 13 messen könnte.

Veröffentlichung:
G.L. Fogli, E. Lisi, A. Marrone, A. Palazzo and A.M. Rotunno, Evidence of Θ13 > 0 from global neutrino data analysis, arXiv:1106.6028 [hep-ph], von Physical Review D zur Veröffentlichung akzeptiert.

Kontakt:
Dr. Antonio Palazzo
Excellence Cluster Universe
Technische Universität München
Tel: +49.89.35831-7162
E-Mail: antonio.palazzo@tum.de
http://www.universe-cluster.de

Weitere Literatur:
Analyse aller bis 2008 verfügbaren experimentellen Daten zur Neutrino-Oszillation:
G.L. Fogli, E. Lisi, A. Marrone, A. Palazzo and A.M. Rotunno, Hints of Theta 13 > 0 from global neutrino data analysis, Physical Review Letters 101, 141801 (2008) [arXiv:0806.2649 [hep-ph] ].

Experimente MINOS und T2K (Tokai to Kamioka), mit denen Wissenschaftler den Wert von Theta weiter eingrenzen konnten:
K. Abe et al. [T2K Collaboration], Indication of Electron Neutrino Appearance from an Accelerator-produced Off-axis Muon Neutrino Beam, Physical Review Letters 107, 041801 (2011) [arXiv:1106.2822 [hep-ex] ].

P. Adamson et al. [MINOS Collaboration], Improved search for muon-neutrino to electron-neutrino oscillations in MINOS, arXiv:1108.0015 [hep-ex], zur Begutachtung bei Physical Review Letters.

Mehr Informationen zum Experiment Double-Chooz:
http://doublechooz.in2p3.fr/

Exzellenzcluster "Origin and Structure of the Universe"
Der Exzellenzcluster „Origin and Structure of the Universe“ an der Technischen Universität München (TUM) besteht seit dem Jahr 2006. Der Cluster ist eine Einrichtung der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder. Dem international sichtbaren Forschungsverbund gehören die Physikfakultäten der TUM und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) und die Universitäts-Sternwarte der LMU an. Weitere Partner sind die Max-Planck-Institute für Physik, für Astro-, Plasma- und für extraterrestrische Physik sowie die Europäische Südsternwarte (ESO). Standort des Universe Clusters ist das Forschungszentrum Garching. Am Exzellenzcluster Universe arbeiten mehr als 200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, die großen Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln:
Wie verhält sich Materie bei extrem hohen Energien und geringen Distanzen?
Gibt es eine Symmetrie zwischen Materie und Kräften?
Woher kommen die Teilchenmassen und ihre Hierarchie?
Was sind kosmische Phasenübergänge und wie kommt die Materie ins Universum?
Was sind die dunklen Komponenten des Universums?
Wie sind Schwarze Löcher entstanden, und wie entwickeln sie sich?
Wie wurde das Universum mit schweren Elementen angereichert?

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