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ELEMENTARTEILCHENPHYSIK
Das Antiteilchen des Neutrinos
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik
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8. Februar 2011

Durch einen präzisen Massenvergleich von Isotopen gelang es Teilchenphysikern jetzt neue Informationen über einen äußerst seltenen Kernumwandlungsprozess zu gewinnen. Dieser könnte helfe, die Frage zu klären, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Dies hätte weitreichende Konsequenzen für die Teilchenphysik und die Kosmologie.

SHIPTRAP

Eine Waage für schwere Atome: In der SHIPTRAP werden Gadolinium-152-Ionen abgebremst und mit elektrischen und magnetischen Feldern in einer Penning-Falle auf eine Kreisbahn gezwungen. Michael Block vom GSI-Helmholtzzentrum Darmstadt überprüft die Spannungen an den Elektroden der Falle. Ein supraleitender Magnet in der weißen Trommel erzeugt das nötige Magnetfeld. Foto: Gabi Otto / GSI-Helmholtzzentrum Darmstadt [Großansicht]

Eine der Grundfragen der Kosmologie ist, warum es nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie gab, so dass außer bloßer Strahlung überhaupt etwas übrig geblieben ist, um Galaxien, Sterne, Planetensysteme, Lebewesen und schließlich unsere eigene Existenz zu ermöglichen. Das theoretische Verständnis hierzu ist mit den Eigenschaften von Neutrinos verbunden, jenen elektrisch neutralen Teilchen, die mit der übrigen Materie nur sehr schwach wechselwirken und diese nahezu ungehindert durchdringen.

Man weiß auch, dass es drei Sorten von Neutrinos gibt, die eine - wenn auch sehr kleine - voneinander verschiedene Masse besitzen, was unter anderem zur Folge hat, dass sie sich ineinander umwandeln können (ein Prozess, den die Wissenschaftler als Neutrino-Oszillationen bezeichnen). Unbekannt sind aber noch die absoluten Werte der Neutrinomassen und man weiß auch nicht, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind.

Teilchen mit einer solchen Eigenschaft nennt man Majorana-Fermionen, benannt nach dem italienischen Physiker Ettore Majorana, der nicht nur durch seine Beiträge zur theoretischen Teilchenphysik, sondern auch durch sein mysteriöses Verschwinden im Jahr 1938 in die Geschichte einging. Solche Teilchen müssten elektrisch neutral sein, denn das jeweilige Antiteilchen trüge anderenfalls die entgegengesetzte Ladung und wäre dadurch unterscheidbar. Wegen der grundsätzlichen Konsequenzen der Majorana-Eigenschaft für die Teilchenphysik und Kosmologie bemühen sich Forscher intensiv darum, diese experimentell zu testen.

Ein möglicher Nachweis wäre die Beobachtung des neutrinolosen Doppel-Betazerfalls, wonach seit kurzem im GERDA-Experiment im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) gesucht wird. Hier zerfallen normalerweise zugleich zwei Neutronen eines Germanium-Atomkerns in zwei Protonen unter Aussendung zweier Elektronen und zweier Antineutrinos. Als Majorana-Fermion kann aber das Antineutrino aus dem Zerfall des einen Neutrons als Neutrino von dem anderen Neutron gleich wieder verschluckt werden, so dass nur die beiden Elektronen beobachtet würden.

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Ein solcher neutrinoloser Prozess ist sehr unwahrscheinlich und es bedarf eines großen experimentellen Aufwandes, um ihn überhaupt aus der Fülle von Hintergrundereignissen zu isolieren. Es gibt aber noch einen weiteren Zerfallsprozess, bei welchem umgekehrt zwei Elektronen aus der Atomhülle von zwei Protonen des Kerns quasi verschluckt werden, welche sich dabei in zwei Neutronen umwandeln und zwei Neutrinos aussenden. Die Forscher sprechen hier vom Doppeleinfang und hätte das Neutrino die Majorana-Eigenschaft, wäre auch der neutrinolose Doppeleinfang möglich.

Allerdings ist ein solcher Zerfall noch wesentlich unwahrscheinlicher als der neutrinolose Doppelbetazerfall und somit sein Nachweis praktisch aussichtslos - mit einer Ausnahme, auf die Forscher am Genfer CERN bereits in den 1980er Jahren hingewiesen haben: Wenn die Zerfallsenergie, also die Energiedifferenz zwischen Anfangs- und Endzustand dieses Kernprozesses sehr klein ist, würde eine resonante Verstärkung um viele Zehnerpotenzen erfolgen.

Resonanzen sind uns aus der Musik geläufig und der Instrumentenbauer wie der geübte Sänger nutzt sie, um einen tragfähigen Klang zu erzeugen. Mit Hilfe eines Resonanzeffekts, so hoffen die Physiker, könnte quasi auch der praktisch unhörbar leise Ton des neutrinolosen Doppeleinfangs im lauten Konzert der Materie nachweisbar werden. Wie aber misst man nun Energiedifferenzen so genau, dass man über diese Möglichkeit eine Aussage machen kann?

Hier hilft den Forschern um Klaus Blaum und Sergey Eliseev die von Einstein formulierte Äquivalenz von Masse und Energie - ausgedrückt in der berühmten Formel E=mc2. Im Prinzip brauchen sie nur Mutter- und Tochternuklid des in Frage kommenden Prozesses auf die Waage zu legen. Dies versuchten die Wissenschaftler nun mit einem Gadolinium-Isotop mit der Massenzahl 152 (Gd-152), welches über Doppeleinfang neutrinolos in das Samarium-Isotop Sm-152 zerfallen könnte. Dies funktioniert aber nur, wenn bei dem Zerfall überhaupt Energie frei wird, worüber bisherige Messungen keine zuverlässige Auskunft gaben.

Die Gruppe von Klaus Blaum hat nun in Kooperation mit Forschern von der Universität Heidelberg und acht weiteren Instituten an der SHIPTRAP-Apparatur des GSI-Helmholtzzentrums in Darmstadt die Massen von Gd-152 und Sm-152 mit bisher nicht erreichter Präzision bestimmt. Hierzu wurde die kreisende Bewegung einfach geladener Gd- bzw. Sm-Ionen im Magnetfeld einer speziellen Ionenfalle vermessen und aus der daraus gewonnenen Massendifferenz auf die gesuchte Energiedifferenz zwischen Mutter- und Tochternuklid geschlossen.

Mit Hilfe von zusätzlichen theoretischen Rechnungen etwa über die Bindungsenergie der Elektronen gelang es, einen aussagekräftigen Wert für die Wahrscheinlichkeit des neutrinolosen Doppeleinfangs zu gewinnen. Als Zerfallsenergie ergab sich ein eindeutig positiver Wert. Die daraus resultierende resonante Verstärkung gegenüber dem Zerfall des Eisen-Isotops Fe-54 als Bezugspunkt beträgt fast sieben Zehnerpotenzen. Mit der Größenordnung von 1026 Jahren ist die berechnete Halbwertszeit die kürzeste unter den bekannten neutrinolosen Einfangprozessen. Gadolinium-152 könnte damit nach Ansicht der Wissenschaftler ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Untersuchungen sein.

Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in einem Fachartikel in der Zeitschrift Physical Review Letters.

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Links im WWW
Max-Planck-Institut für Kernphysik
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
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