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NEUTRINOS
Was verschwindende Antineutrinos verraten
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik
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9. November 2011

Physiker des Double-Chooz-Experiments haben das Verschwinden von Antineutrinos über eine kurze Distanz nachgewiesen. Das Resultat wurde heute auf einer Fachkonferenz in Seoul vorgestellt. Es hilft, den bislang unbekannten dritten Neutrino-Mischungswinkel zu bestimmen, eine fundamentale Eigenschaft mit wichtigen Konsequenzen für die Teilchen- und Astroteilchenphysik.

Double-Chooz-Detektor

Photovervielfacher im Inneren eines der Double-Chooz-Detektoren. Foto: Double-Chooz-Kollaboration

Neutrinos sind die häufigsten aber zugleich am schwierigsten nachzuweisenden Teilchen im Universum. Sie existieren in drei Arten, "Flavour" genannt, und seit den späten 1990er Jahren ist ihre spezielle Eigenschaft bekannt, dass sie sich von der einen in die andere Art umwandeln können. Dieses Phänomen wird Neutrino-Oszillation genannt und es folgt daraus, dass Neutrinos eine Masse haben müssen.

Neutrino-Oszillationen sind gegenwärtig ein Feld intensiver Forschung mit einer Reihe von Experimenten, die nach einer vollständigen Beschreibung der zugrunde liegenden Mechanismen suchen. Neutrinos entstehen auf vielfältige Weise, wie beispielsweise in Fusionsprozessen im Inneren der Sonne oder wenn kosmische Strahlung auf die Atmosphäre trifft.

Das Double-Chooz-Experiment widmet sich der Messung von Neutrino-Oszillationen mit bisher unerreichter Präzision, indem es Antineutrinos beobachtet, die in dem benachbarten Kernreaktor bei Chooz in den französischen Ardennen entstehen. Double-Chooz begann vor sechs Monaten mit der Datenaufnahme. Auf der LowNu-Konferenz in Korea haben die beteiligten Wissenschaftler ihre ersten Ergebnisse angekündigt und über neue Daten berichtet, die im Einklang mit einer Oszillation über kurze räumliche Distanz stehen. Das Resultat basiert auf der Beobachtung des "Verschwindens" von (Anti-)Neutrinos gegenüber dem erwarteten Neutrinofluss aus dem Kernreaktor.

Den drei verschiedenen Neutrino-Flavours entsprechen jeweils als Gegenstück die drei geladenen Leptonen: Elektron, Myon und Tau. Die Oszillationen hängen von drei Mischungsparametern ab, von denen zwei relativ groß sind und bereits gemessen wurden. Der dritte Mischungswinkel, genannt "theta13", war bisher nur ungenau bekannt; es konnte lediglich eine Obergrenze hierfür angegeben werden (astronews.com berichtete).

Aus der Vermessung des "Verschwindens" von elektronischen Antineutrinos hat die Double-Chooz-Kollaboration jetzt Hinweise auf eine Oszillation und einen Wert für den dritten Mischungswinkel ableiten können. Die Wahrscheinlichkeit, dass keine solche Oszillation vorliegt, beträgt nach den vorläufigen Resultaten nur 7,9 Prozent. Die Bestimmung dieses letzten Mischungswinkels liefert eine kritische Größe für zukünftige Experimente, die den Unterschied zwischen Neutrino- und Antineutrino-Oszillationen messen sollen. Darüber hinaus verweist dies indirekt auf den Ursprung der Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum.

"Der dritte Mischungswinkel ist das gegenwärtig noch fehlende Bindeglied in der Neutrinophysik. Eine präzise Messung desselben ist der Schlüssel für das Tor zu neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik und wir stehen nun unmittelbar davor", sagt Herve de Kerret vom CNRS in Frankreich und Sprecher der Double-Chooz-Kollaboration. Im Juni 2011 wurden in Beschleunigerexperimenten erste Hinweise auf eine Oszillation von myonische in elektronische Neutrinos, welche diesen dritten Mischungswinkel beinhalten, gefunden. Durch die Messung des Verschwindens von elektronischen Antineutrinos liefert die Double-Chooz-Kollaboration komplementäre und wesentliche Indizien für die Oszillation, die ebenfalls den dritten Mischungswinkel einschließt.

Double-Chooz betreibt zur Zeit einen "fernen" Detektor in einem Abstand von etwa 1.000 Metern zu den Reaktorkernen. Die Genauigkeit der Messungen wird sich mit der Zeit weiter erhöhen, wenn 2012 ein weiterer "naher" Detektor im Abstand von 400 Metern in Betrieb genommen wird. Bei dieser geringeren Distanz wird noch keine signifikante Umwandlung in Neutrinos anderer Art erwartet. Durch die Kombination der Ergebnisse aus beiden Detektoren kann theta13 mit noch höherer Präzision bestimmt werden.

Die Detektoren enthalten jeweils 10 Kubikmeter einer speziell für das Experiment entwickelten organischen Flüssigkeit als Nachweismedium. Dieser sogenannte Szintillator enthält Gadolinium, um die in der Wechselwirkung der Antineutrinos aus den Reaktoren mit Protonen (Wasserstoffkernen) gebildeten Neutronen einzufangen. Dabei entstehen Lichtblitze, die etwas später auftreten als die Lichtblitze vom Zerstrahlen eines in derselben Reaktion entstandenen Positrons mit einem Elektron. Zur Abschirmung ist die Nachweisflüssigkeit von drei Schichten anderer Flüssigkeiten in Nylongefäßen umgeben. Die Lichtblitze werden von 390 empfindlichen Photovervielfachern in elektronische Signale umgewandelt. Das Datenaufnahmesystem wird die nächsten fünf Jahre Signale registrieren und zur Auswertung aufbereiten.

Die Forscher am Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) haben mit der Entwicklung der gadoliniumhaltigen Szintillatorflüssigkeit entscheidend zu dem Experiment beigetragen. Sie mussten eine Gadoliniumverbindung finden, testen, herstellen und reinigen, die in der organischen Flüssigkeit löslich und mehrere Jahre stabil ist. In Zusammenarbeit mit japanischen Kollegen haben die MPIK-Forscher außerdem die Photovervielfacher in einem speziell dafür gebauten Teststand geprüft.

Die Double-Chooz-Kollaboration besteht aus Universitäten und Forschungseinrichtungen in Brasilien, Deutschland, England, Frankreich, Japan, Russland, Spanien und den USA. In Deutschland sind das Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und die Universitäten Tübingen, TU München, RWTH Aachen und Hamburg beteiligt.

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siehe auch
Neutrinos: Die Jagd nach theta13 - 8. September 2011
Neutrinos: Die Wandlungsfähigkeit von Neutrinos - 16. Juni 2011
Neutrinos: Auf der Spur der Neutrino-Oszillationen - 27. Dezember 2010
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Physik: Was wiegt ein Neutrino? - 12. Juli 2005
Neutrinos: KATRIN soll Neutrinomasse bestimmen - 6. Juli 2001
Neutrinos: Preis für obere Massengrenze - 23. Mai 2001
Links im WWW
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Double Chooz
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