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Teilchenphysik: Neue Physik mit Neutrinos

Sie sind die Exoten im Teilchenzoo: fast lichtschnell, mit verschwindend geringer Masse und kaum mit Materie wechselwirkend. Zwar lassen sich Neutrinos nur mit gewaltigem Aufwand aufspüren, doch dafür weist ihre Erforschung einen Weg, der über das Standardmodell der Elementarteilchen hinausführt.
Blick in den Daya-Bay-Detektor.

Wenige Physiker hatten das Privileg, ein neues Elementarteilchen einzuführen. Doch als der österreichische Theoretiker Wolfgang Pauli (1900 – 1958) im Jahr 1930 auf die Idee des Neutrinos kam, packten ihn Zweifel. "Ich habe etwas Fürchterliches getan", sagte Pauli später zu seinen Kollegen. "Ich habe ein Teilchen postuliert, dass man nicht nachweisen kann." Mehr als 80 Jahre später geben Neutrinos noch immer Rätsel auf. Die flüchtigen Leichtgewichte haben den Physikern bisher eine Überraschung nach der anderen bereitet.

Unter den fundamentalen Materieteilchen stechen Neutrinos in dreierlei Hinsicht hervor: Erstens sind sie als einzige elektrisch neutral, so dass sie sich theoretisch in ihre eigenen Antiteilchen verwandeln könnten. Zweitens sind sie extrem leicht; ihre Masse beträgt kaum ein Millionstel der Masse des zweitleichtesten Materiebausteins, des Elektrons. Und drittens vermischen sich die drei bekannten Neutrinosorten oder "Flavors" (nach dem englischen Wort für Geschmack) sehr viel stärker als die Quarks, die Bausteine der Protonen und Neutronen im Atomkern. Die Übergänge von einem Neutrino-Flavor zum anderen werden als so genannte Oszillationen gemessen.

Dass Neutrinos überhaupt Masse besitzen, stellten Physiker erst vor 15 Jahren fest – mit einer bahnbrechenden Konsequenz: Das alte Standardmodell, dass für mehr als 30 Jahre das vollständige Wissen über die Teilchenphysik zusammenfasste, muss erweitert werden. Es kann deshalb kaum überraschen, dass die geheimnisvollen Partikel Gegenstand lebhafter Forschungstätigkeit sind. Experimentell untersucht werden Neutrinos, die unter anderem aus Teilchenbeschleunigern, aus Kernreaktoren, von der Sonne und aus der Atmosphäre stammen. Dabei ist bislang noch nicht einmal der Mechanismus bekannt, der den Neutrinos ihre Masse verleiht. Doch gerade dadurch gewinnen die rätselhaften Partikel eine Schlüsselrolle für den alten Traum der Physiker von einer vereinheitlichten Theorie, die alle Kräfte und Teilchen in einem mathematischen Modell von allumfassender Symmetrie zusammenfasst.

Ein Hoffnungsträger für dieses Programm ist der Large Hadron Collider (LHC), der weltgrößte Beschleuniger mit mehr als 27 Kilometer Umfang am europäischen Teilchenforschungszentrum CERN. Hier bringen Physiker Protonen mit der bisher unerreichten Energie von mehreren Teraelektronenvolt – der Energie eines Elektrons, das mit einer Spannung von einer Billion Volt beschleunigt wurde – zur Kollision. Damit hoffen sie neue Partikel zu erzeugen, die nicht im Standardmodell enthalten sind: etwa Teilchen, aus denen die rätselhafte Dunkle Materie im Weltall bestehen könnte. Und möglicherweise werden die Ergebnisse des LHC uns erlauben, neue Einblicke in die Natur der Neutrinos zu gewinnen. …

Mai 2014

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft Mai 2014

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  • Quellen und Literaturtipp

Päs, H.: Neutrino Masses and Particle Physics beyond the Standard Model. In: Annalen der Physik 11, S. 551 - 572, 2002

Porod, W. et al.: Testing Neutrino Mixing at Future Collider Experiments. In: Physical Review D 63, 115004, 2001

Päs, H.: Die perfekte Welle: Mit Neutrinos an die Grenzen von Raum und Zeit oder warum Teilchenphysik wie Surfen ist. Piper, München 2011
Unsere Rezensentin Manuela Kuhar (SdW 8/2012, S. 97) fand, es sei schwer, dieses Buch aus der Hand zu legen.