Neutrinos gehören zu den häufigsten Teilchen im Universum – und auch zu den geheimnisvollsten. Sie besitzen Masse, doch wie viel, das weiß man nicht. Sie treten in mindestens drei Arten oder "Flavours" auf, doch es könnten auch mehr sein. Eine neue Studie liefert nun weitere Anhaltspunkte: Eine Unstimmigkeit zwischen Beobachtungen von Galaxienhaufen und Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung ließe sich demnach auflösen, wenn Neutrinos massereicher wären als angenommen. Zudem deuten die Ergebnisse darauf hin, dass eine bisher nicht nachgewiesene vierte Neutrinosorte existiert.

Der Widerspruch zwischen Galaxienhaufen und der kosmischen Mikrowellenhintergrund (englisch: Cosmic Microwave Background, kurz CMB) ist ein Problem – wenn auch eines, das man in den kommenden Jahren womöglich einfach durch immer bessere Messungen lösen könnte. Die Hintergrundstrahlung spiegelt die winzigen Dichteschwankungen im frühen Universum wider, infolge derer an einigen Orten schließlich Materie zusammenklumpte und an anderen riesige Hohlräumen entstanden. Das Resultat dieser Klumpenbildung im jungen Kosmos lässt sich nachvollziehen, wenn man die Verteilung von Galaxienhaufen im Weltall bestimmt.

Neutrinonachweis
© T2K (Tokai to Kamioka)
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Computerrekonstruktion von Neutrinoereignissen im zylinderförmigen Super-Kamiokande-Detektor in Japan. Jeder farbige Punkt repräsentiert einen Photoelektronenvervielfacher, der gerade Lichtwellen erfasst.

Die besten Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung lieferte im März 2013 das Weltraumteleskop Planck, das von der Europäischen Weltraumorganisation ESA betrieben wird. Die Positionen von Galaxienhaufen ermitteln Astronomen dagegen mit verschiedenen Methoden. Dabei machen sie sich unter anderem den Gravitationslinseneffekt zu Nutze: Große Massen lenken das Licht von Hintergrundobjekten ab, wodurch man auf ihre Verteilung am Himmel schließen kann. Die Ergebnisse der beiden Messungen lassen sich jedoch nicht miteinander vereinbaren. "Wir vergleichen das Universum zu einer frühen Zeit mit dem zu einer späteren Zeit – und wir haben ein Modell, das zwischen den beiden extrapoliert", erläutert Richard Battye als Koautor der neuen Studie, die am 7. Februar in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" veröffentlicht wurde [1]. "Hält man an dem Modell fest, mit dem man die CMB-Daten beschreibt, dann ist die Anzahl der bisher bekannten Haufen nur halb so groß wie erwartet", fügt der Physiker von der University of Manchester hinzu.

Relativistische Neutrinos

Neutrinos könnten die Bildung von Galaxienhaufen behindert und dadurch die Diskrepanz verursacht haben – dafür müssten sie allerdings genügend Masse besitzen. Das Universum durchschritt an einem gewissen Punkt in seiner Vergangenheit eine Energieschwelle, nehmen Wissenschaftler an, die der Neutrinomasse entsprach: Als das Universum anfangs noch heiß und dicht war, verhielten sich die Neutrinos relativistisch – sie bewegten sich mit Lichtgeschwindigkeit. Nachdem das Universum abgekühlt und die Energieschwelle überquert war, verlangsamten sich die Neutrinos jedoch und bewegten sich fortan nicht mehr so schnell wie das Licht. Damit waren sie nun in der Lage, sich zusammen mit der restlichen Materie im Universum in großräumigen Strukturen zu versammeln. "Die Anzahl von Galaxienhaufen im Universum ist eine Funktion der Neutrinomasse", erklärt Battye. "Je massereicher sie sind, desto größer ist ihr Beitrag zur gesamten Materiedichte des Universums, und sie würden den Prozess der Haufenbildung leicht unterdrücken."

Battye und sein Kollege Adam Moss von der University of Nottingham berechneten, dass sich die heute beobachtete Anzahl an Haufen erklären ließe, wenn die Summe der drei Neutrinomassen rund 0,32 Elektronenvolt (plus/minus 0,081) ergibt – das entspricht etwa einem Drittel von einem Milliardstel der Protonenmasse. Früheren Schätzungen zufolge sollten es die Neutrinomassen zusammengenommen nur auf mindestens 0,06 Elektronenvolt bringen. Eine derartig große Gesamtmasse wäre verwunderlich und "sehr interessant mit vielen sehr positiven Folgen", so der theoretische Physiker André de Gouvêa von der Northwestern University in Evanston der nicht an der Studie beteiligt war. So könnten die drei Neutrinoarten – Elektron, Myon und Tau – nahezu die gleiche Masse aufweisen, was ein bisschen überraschend wäre. Dies "würde sich auf die Art und Weise auswirken, wie wir den Mechanismus hinter den Neutrinomassen zu verstehen versuchen", sagt de Gouvêa.

Innenleben des Super-Kamiokande-Detektors
© Kamioka Observatory, ICRR, University of Tokyo
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Der Super-Kamiokande ist ein Neutrinodetektor in Japan, in dem schon 1998 erste Hinweise auf den Übergang eines Neutrinos in eine andere Neutrinoform beobachtet wurde. Er besteht aus einem Tank mit 50 000 Tonnen hochreinem Wasser, dessen Wände mit mehr als 11 000 kleinen Detektoren bestückt ist.

Darüber hinaus fanden Battye und Moss auch Belege dafür, dass möglicherweise eine vierte, "sterile" Art von Neutrino existiert. "Die Idee ist sehr spannend", meint der Physiker Joseph Formaggio vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, der ebenfalls nicht an der Studie mitwirkte. "Wir gehen von drei Neutrinos aus. Ein viertes Neutrino würde die Lehrmeinung über den Haufen werfen – es wäre Physik jenseits des Standardmodells, wie wir sagen." Die drei bekannten Neutrinos können sich in einen anderen Flavour umwandeln. Diese bizarre Fähigkeit, Neutrinooszillation genannt, würde ein steriles Neutrino nicht besitzen. Zudem sollte es noch weniger mit gewöhnlicher Materie wechselwirken als die drei bekannten Flavours.

Folgen für das Standardmodell?

Theoretiker vermuten schon länger, dass es sterile Neutrinos geben könnte. Ein Nachweis steht bisher allerdings aus. In einigen Experimenten an Teilchenbeschleunigern fanden Physiker in letzter Zeit jedoch Hinweise auf deren Existenz [2]. "Wirklich interessant ist die Tatsache, dass die Masse dieses sterilen Neutrinos [laut Battye und Moss] mit den Ergebnissen der anderen Experimente übereinstimmt", sagt Formaggio. "Ich denke, dass man sich diese Daten nun ansehen und vielleicht etwas darin finden wird." Auch eine andere, zufällig in derselben Ausgabe der "Physical Review Letters" veröffentlichte Studie stützt die Idee eines sterilen Neutrinos sowie von schwereren Neutrinomassen [3]. Das Team um Mark Wyman von der University of Chicago untersuchte ebenfalls die Unstimmigkeiten zwischen den Planck-Daten und Galaxienhaufen – und zog ein ähnliches Resümee wie Battye und Moss.

Bevor man entdeckte, dass sich die verschiedenen Sorten ineinander umwandeln, hielten Physiker alle Neutrinos für masselos. Doch die Oszillation zwischen den Flavours ließ sich nur erklären, wenn die Elementarteilchen zumindest ein bisschen Masse besitzen. Jeder Flavourzustand setzt sich demnach aus den drei unbekannten Neutrinomassen – vorerst als Masse 1 , Masse 2 und Masse 3 bezeichnet – zusammen. Durch diese Mixtur kann sich jede Sorte im Lauf der Zeit in eine andere umzuwandeln. Eine solche Transformation kann allerdings nur stattfinden, wenn sich die Massenzustände voneinander unterscheiden – und das ist nur möglich, erklärt Formaggio, wenn die Masse der Neutrinos ungleich null ist.

Längst versuchen Physiker die Neutrinooszillation in Experimenten zu beobachten und so die relativen Unterschiede in den Neutrinomassen einzugrenzen – die so genannte Massenhierarchie der Neutrinos. Vor rund zwei Wochen vermeldete eines dieser Experimente, genannt NuMI Off-Axis ve Appearance (NOvA), den Nachweis seiner ersten Neutrinos. Dafür hatten Forscher am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) nahe Chicago einen Neutrinostrahl erzeugt und anschließend auf zwei verschiedene Detektoren gelenkt – einen unweit des Fermilabs und einen anderen gut 800 Kilometer entfernt in Ash River, Minnesota. Obwohl alle Teilchen im Strahl als Myonneutrinos gestartet waren, erreichten einige wenige den entfernten Detektor als Elektronneutrinos, was sich in einer anderen Signatur bemerkbar machte. Wie häufig so eine Umwandlung auftritt, hängt von der Differenz zwischen der Masse von Elektron- und Myonneutrinos ab.

Im Experiment Tokai to Kamioka (T2K) in Japan fahnden Physiker ebenfalls nach diesen Oszillationen. Die Kollaboration verkündete am 10. Februar dieses Jahres, dass man rekordverdächtige 28 Ereignisse aufgespürt habe, in denen sich höchstwahrscheinlich ein Myon- in ein Elektronneutrino umwandelte. Lediglich bei rund fünf dieser Ereignisse, so schätzt man, hätten andere Prozesse einen echten Flavourwechsel vorgetäuscht. Damit legen die Physiker den bisher stärksten Beweis für diese Art von Neutrinooszillation vor. Um die vielen Fragen rund um die Neutrinomassen zu klären, bedarf es allerdings erheblich mehr Daten. "Man könnte es als einen wichtigen Meilenstein auf dem langen Weg zum Ziel ansehen", veranschaulicht Formaggio, der einen begleitenden Artikel zur Publikation der Ergebnisse in den "Physical Review Letters" verfasste. Die beiden Experimente ergänzen sich, sagt Rick Tesarek als stellvertretender Projektleiter von NOvA. "NOvA hat einige Fähigkeiten, die T2K nicht besitzt" und umgekehrt. Beide Experimente nutzen unterschiedliche Detektortechnologien, die jeweils auf andere Signale besonders empfindlich reagieren. Zudem sind Neutrinoquelle und Detektoren beim Projekt NOvA weiter voneinander entfernt.

Mit Hilfe solcher experimentellen Daten kommen Physiker dem Geheimnis der Neutrinomassen vielleicht bald auf die Schliche. In den kommenden Jahren sollte sich auch klären lassen, ob die Messungen von Galaxienhaufen tatsächlich nicht mit den Daten der kosmischen Hintergrundstrahlung übereinstimmen und damit auf schwerere Neutrinomassen und/oder ein steriles Neutrino hindeuten. "Die Messungen verbessern sich laufend", berichtet Battye. "Ich könnte mir vorstellen, dass wir vielleicht in fünf Jahren wissen, ob es stimmt oder nicht."