NEUTRINOS
Die Jagd nach theta13
Redaktion / Pressemitteilung des Exzellenzclusters Universe
astronews.com
8. September 2011

Die lange Zeit rätselhaften Neutrinos geben allmählich ihre Geheimnisse preis. Ein internationales Team von Wissenschaftlern glaubt nun sichere Indizien dafür gefunden zu haben, dass auch der letzte von drei Parametern, die die Oszillation von Neutrinos beschreiben, größer als null ist. Für die Teilchenphysiker würde die Bestätigung dieses Befunds ganz neue Perspektiven eröffnen.

Blick in den Detektor von Double-Chooz. Foto: Double-Chooz Collaboration

Neutrinos stecken seit ihrer Entdeckung voller Rätsel. Und bereits von der theoretischen Vorhersage ihrer Existenz bis zum experimentellen Nachweis 1956 vergingen 26 Jahre. Der Grund dafür ist einfach: Neutrinos interagieren nur über die schwache Wechselwirkung mit anderen Materieteilchen. Nähert sich ein kosmisches Neutrino der Erde, hat es beste Chancen, ungehindert und damit unentdeckt den Planeten zu durchqueren. Entsprechend schwierig ist ein direkter Nachweis der Neutrinos mit Hilfe eines Detektors.

Mit der experimentellen Entdeckung der Neutrinos begann auch die Diskussion um ihre Massen: Waren sie massenlos oder hatten sie doch eine, wenn auch nur geringe 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 1 Elektronenvolt (zum Vergleich: ein Elektron "wiegt" rund 500.000 Elektronenvolt).

Die Physiker unterscheiden drei verschiedene Neutrino-Sorten, die sich im Rahmen des Standardmodells jeweils einer der drei Teilchenfamilien zuordnen lassen. Das Wissen um die Neutrino-Masse stammt von zahlreichen Experimenten, in denen so genannte Neutrino-Oszillationen beobachtet wurden. Frei durch den Raum fliegende Neutrinos einer bestimmten Familie (etwa 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 aber nur, wenn die Teilchen eine Masse haben.

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. Die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Neutrino-Familien hängen von den drei so genannten Mischungswinkeln theta12, theta23 und theta13 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, theta13, ist derzeit Gegenstand der Forschung (astronews.com berichtete).

Bekannt war bisher lediglich, dass es sich um einen kleinen Wert handeln sollte, verglichen mit den beiden anderen; insbesondere konnte theta-13 gleich null 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 Palazzo die ersten Hinweise auf einen endlichen Wert von theta13 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 theta13 hin; die Theoretiker sehen sich damit bestätigt.

Inzwischen haben die gleichen Wissenschaftler eine statistische Auswertung durchgeführt, in die sowohl ihre neuen Daten als auch frühere Ergebnisse des T2K- und des MINOS-Experiments eingeflossen sind. Danach beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass theta13 gleich null ist, nur noch 1:400. Die Analyse wird in Kürze in der Fachzeitschrift Physical Review D erscheinen.

Doch auch dieser Wert ist den Physikern noch zu unsicher: Ihr Ziel ist es, die Wahrscheinlichkeit, das theta13 gleich null ist, auf mindestens 1:1 Millionen zu reduzieren. Aus diesem Grund 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 (astronews.com berichtete). Mit Hilfe des Antineutrino-Flusses des Atomkraftwerks in der französischen Gemeinde Chooz soll der Wert von theta13 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 theta13 groß genug ist, wird ein Teil der Elektron-Antineutrinos zu Myon- oder Tau-Antineutrinos. Damit wäre die am zweiten Detektor gemessene Elektron-Antineutrino-Rate deutlich geringer, als dies ohne Oszillationen zu erwarten wäre.

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 in dieser Woche in München stattfindenden Konferenz Topics in Astroparticle and Underground Physics wurde ausführlich über den Status des Experiments berichtet. Erste Ergebnisse werden zum Ende des Jahres erwartet. Sollte sich die Hypothese, dass theta13 wie die anderen Mischungswinkel größer null ist, bestätigen, hätten Neutrinos die größtmöglichen Freiheitsgrade, von einer Familie zur nächsten zu wechseln. Das würde den Forschern interessante Perspektiven eröffnen und könnte beispielsweise klären helfen, wieso es im frühen Universum einen minimalen Überschuss von Materie gegenüber Antimaterie gegeben hat. Ohne diese Asymmetrie hätte sich alle Materie kurz nach dem Urknall in Strahlung verwandelt und das Weltall wie wir es kennen, hätte gar nicht entstehen können.