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OPERA
Neutrino-Oszillation gilt als nachgewiesen
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Bern
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17. Juni 2015

Zum fünften Mal haben Wissenschaftler in den Daten des OPERA-Experiments die Umwandlung eines Myon-Neutrinos in ein Tau-Neutrino nachweisen können. Damit gilt das Phänomen der sogenannten Neutrino-Oszillationen als belegt. Dessen  Existenz war lange Zeit vermutet worden und sollte mit dem OPERA-Experiment nachgewiesen werden.

OPERA

Der OPERA-Detektor: Ein Koloss von 4.000 Tonnen mit etwa 20 Metern Länge, zehn Metern Höhe und zehn Metern Breite, um die kaum nachweisbaren Elementarteilchen zu entdecken. Foto: OPERA / Universität Bern [Großansicht]

Neutrinos können die Erde fast ohne Widerstand durchqueren. Sie sind ungeladen und interagieren praktisch gar nicht mit ihrer Umgebung. Deshalb sind die Spuren dieser winzigen Elementarteilchen auch nur sehr schwer aufzuspüren. Für Teilchenphysiker sind Neutrinos allerdings von großem Interesse. Es gibt sie in drei verschiedenen Arten: Elektron-, Myon- und Tau- Neutrinos, die sich ineinander verwandeln können.

Die Umwandlung eines Myon- in ein Tau-Neutrino wurde erstmals 2010 im internationalen OPERA-Experiment beobachtet. Nun hat das OPERA-Team eine fünfte solche Beobachtung gemeldet - damit ist die für Teilchenphysik statistisch erforderliche sogenannte "5 Sigma"-Stufe erreicht. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich beim beobachteten Signal um etwas anderes handelt als die Umwandlung eines Myon- in ein Tau-Neutrino, liegt nun nur noch bei 1:3,5 Millionen. Mit dem Beleg dieser Umwandlung findet das OPERA-Experiment damit seinen erfolgreichen Abschluss.

Die Umwandlung von Neutrinos galt lange als Spekulation. 1998 wurde erstmals nachgewiesen, dass Myon-Neutrinos aus der kosmischen Strahlung in einer geringeren Anzahl die Erde erreichen als erwartet. Tatsächlich verwandeln sich die vermeintlich "fehlenden" Neutrinos aber in Tau-Neutrinos, wie das jetzige Ergebnis belegt. "Der Nachweis dieser sogenannten Neutrino-Oszillationen ist wichtig für unser Verständnis von der Entstehung des Universums", so Antonio Ereditato, Leiter des Labors für Hochenergiephysik (LHEP) und Direktor der Albert Einstein Centers für Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern.

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Eines der größten, noch ungeklärten Rätsel der Wissenschaft sei bis heute, warum beim Urknall mehr Materie als Antimaterie erzeugt wurde. Neutrino-Oszillationen können möglicherweise wichtige Hinweise auf den zugrundeliegenden Mechanismus dieser Asymmetrie liefern und damit das Verständnis über die Entstehung des Universums verbessern. "Mit dieser wichtigen Entdeckung beenden wir ein langes wissenschaftliches Abenteuer auf bestmögliche Weise", sagt Ereditato, der das OPERA- Experiment 1997 mit zwei weiteren Physikern, Kimio Niwa und Paolo Strolin, vorgeschlagen hatte.

Das OPERA-Experiment (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus) ist in einem Untergrund-Labor im Gran Sasso-Massiv bei Rom stationiert. Der Detektor zum Nachweis von Neutrinos ist ein Koloss von 4.000 Tonnen, der aus 1-Millimeter dicken Bleiplatten besteht. Zwischen den Bleiplatten befinden sich dünne Filme aus Photoemulsion, um die Spuren der Teilchen nachzuweisen, die bei einer Interaktion mit dem Detektor entstehen. Die Filme werden schließlich an computergesteuerten Mikroskopen am Labor für Hochenergiephysik (LHEP) der Universität Bern ausgewertet.

Die Neutrinos kamen aus Genf, wo das CERN einen Strahl von Myon-Neutrinos mit einem Teilchenbeschleuniger erzeugte und in Richtung des Gran-Sasso-Labors losschickte. Auf der Flugstrecke von 731 Kilometern sollte sich ein Teil der ausgesandten Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos umwandeln. 2010 wurde das erste Tau-Neutrino im OPERA-Detektor beobachtet, gefolgt von weiteren Beobachtungen 2012, 2013 und 2014. Mit der fünften Beobachtung gilt die Umwandlung nun als belegt.

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