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Teilchenphysik: Bringen Neutrinos das Standardmodell zu Fall?

Falls sich Neutrinos als ihre eigenen Antiteilchen herausstellten, wären die Konsequenzen für die Teilchenphysik beachtlich - die sagt nämlich das Gegenteil voraus. Gute Chancen, als erste eine Antwort auf diese Frage zu finden, haben die Forscher des GERDA-Experiments, das Anfang November eingeweiht wurde.
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Ausgerechnet Neutrinos, jene unglaublich flüchtigen und selbst für die meisten Messinstrumente praktisch unsichtbaren Teilchen, könnten das Standardmodell der Teilchenphysik in ernste Bedrängnis bringen – wieder einmal. Dabei hatte Wolfgang Pauli das Neutrino im Jahr 1930 gewissermaßen nur "erfunden", um den bis dahin unverstandenen Betazerfall der Atomkerne mit den Erhaltungssätzen der Physik in Einklang zu bringen. Die Postulierung eines bis dahin unbeobachteten Teilchen war ein kühner Schritt – und seine experimentelle Bestätigung 26 Jahre später durch Clyde L. Cowan und Frederick Reines ein Triumph für die moderne Physik.

Doch die spätere Erkenntnis, dass diese Teilchen zwar leicht, aber keineswegs masselos sind wie von der Theorie gefordert, war ein schwerer Schlag für das ansonsten doch so erfolgreiche Standardmodell. Auch die aktuelle Frage, ob Neutrino und Antineutrino ein- und dasselbe sind, wird schon seit Jahrzehnten diskutiert. Wäre dem so, würde dieses leichte Teilchen das Standardmodell ein weiteres Mal widerlegen. Nicht für jeden käme das allerdings überraschend. Schon längst glauben viele Physiker, dass jenseits der durch dieses Modell beschriebenen Teilchenwelt weitere, bislang unerforschte Physik wartet – ob sie nun in Form von Neutrinos, von Supersymmetrie oder auch von Phänomenen der Stringtheorie auftritt.

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Gefüllt bis an den Rand | Von außen betrachtet ist GERDA nichts weiter als ein gewaltiger, neun Meter hoher und zehn Meter durchmessender Zylinder aus Stahl, der über eine halbe Million Liter hochreines Wasser enthält.
Bislang allerdings geht man davon aus, dass das Neutrino und sein Antiteilchen fundamental verschiedene Partikel sind. Bei einem einfachen Betazerfall entstehen aus einem Neutron eines Atomkerns ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino, und beim 1987 entdeckten doppelten Betazerfall widerfährt dieser Vorgang zwei Neutronen gleichzeitig. Wenn aber Neutrino und Antineutrino identisch sind, dann wäre auch der so genannte neutrinolose doppelte Betazerfall möglich. Auch dabei zerfallen zwei Neutronen, doch die Antineutrinos würden sich im Kern gegenseitig vernichten – sie sind ja Materie und Antimaterie zugleich – und gar nicht erst in Erscheinung treten. Ein solcher Zerfall böte nicht nur erstmals eine Möglichkeit, die Neutrinomasse direkt zu messen. Er lieferte vielleicht auch eine Erklärung, warum es im Universum heute fast nur noch Materie, aber keine Antimaterie gibt. Ein halbes Jahrhundert nach seiner Entdeckung dreht sich deshalb heute wieder alles um das Neutrino.

Ortstermin 1400 Meter unter dem Fels

Ortstermin in Halle A des Gran-Sasso-Untergrundlabors in Mittelitalien, etwa 60 Kilometer östlich von Rom. Hier, 1400 Meter tief unter dem Fels der Apenninen, befindet sich das Laboratori Nazionali del Gran Sasso, das größte unterirdische Teilchenphysiklabor der Welt. Weitgehend ungestört von der kosmischen Strahlung suchen Physiker in den mehr als zehn Meter hohen Hallen nach allem, was selten und sonderbar ist, etwa nach den hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie. Gleich drei Experimente beschäftigen sich hier mit dem neutrinolosen Doppelbetazerfall. Das neueste, GERDA (Germanium Detector Array) genannt, wurde am 9. November 2010 eingeweiht. Nicht ohne Stolz öffneten die Wissenschaftler die Tore ihres unterirdischen Arbeitsplatzes für zahlreiche Gäste und Journalisten.

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Der Tag der Einweihung | 1400 Meter tief unter dem Fels der Apenninen sind die über zehn Meter hohen Hallen des Gran-Sasso-Untergrundlabors in das Gestein geschlagen worden. Zur Einweihung am 9. November 2010 waren zahlreiche Gäste geladen.
Die Fahrt in das Untergrundlabor ist ein Abenteuer für sich. Mitten im Autobahntunnel zwischen Teramo und L’Aquila biegt der Bus plötzlich auf eine schmale Abbiegespur, die nur für autorisierten Verkehr zugelassen ist. Nach 100 Metern endet sie vor einem schweren Metalltor, hier ist Endstation für Normalsterbliche. Dahinter öffnet sich ein Labyrinth aus Tunneln, Kavernen und drei großen Experimentierhallen. In einer davon steht GERDA. Das Experiment, von rund 100 Mitarbeitern aus acht Ländern unter Beteiligung der deutschen Max-Planck-Gesellschaft in sechs Jahren erbaut, ist eines von mehreren weltweit, die sich der Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall verschrieben haben. Doch diese Suche ist schwierig.

Das Hauptproblem: Der gesuchte Prozess tritt – wenn überhaupt – extrem selten auf. Verwendet man beispielsweise ein Kilogramm Germanium-76 als Ausgangsmaterial, dann kann man höchstens einmal pro Jahr mit einem entsprechenden Zerfall rechnen. GERDA verwendet deshalb gleich mehrere, je zwei Kilogramm schwere Germaniumkristalle, um die Wartezeit zu verkürzen. Aber auch dann würden in jeder Sekunde Tausende von Myonen aus der kosmischen Strahlung oder Zerfallsprodukte der natürlichen Radioaktivität der Umgebung durch den Kristall fliegen.

Ein leiser Ton, während ein Jumbojet startet

Es ist, als versuche man einen leisen, fast unhörbaren Ton in einem Freiluftkonzert zu hören, während gleich nebenan ein Jumbojet startet. Die Störungen müssen deshalb abgeschirmt oder herausgefiltert werden. Das ist auch der Grund, warum Experimente wie GERDA in unterirdischen Laboren stattfinden. Tatsächlich gibt es auf der Erde kaum einen Ort, der so gut vorn jeder Art Strahlung geschützt ist.

Steht man nun direkt vor dem Experiment, so bekommt man von dem eigentlichen Detektor nicht viel mit. Von außen betrachtet ist GERDA zunächst nichts weiter als ein gewaltiger, neun Meter hoher und zehn Meter durchmessender Zylinder aus Stahl. Der größte Teil des Volumens – ausgefüllt mit 580 000 Litern hochreinen Wassers – dient der Abschirmung. Im Zentrum hängen die Germaniumkristalle in einer Art fünf Meter hohen Thermoskanne aus Kupfer, gefüllt mit 65 000 Litern flüssigem Argon, das auf minus 196 Grad Celsius heruntergekühlt ist.

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Die Kristalle sind Quelle und Detektor zugleich: Jeder Zerfall verursacht in ihnen einen kurzen Strompuls mit einer Stärke von etwa einem Mikroampere, den eine empfindliche Elektronik ausliest. Ohne das Argon hätte man keine Chance, diesen feinen "Ton" zu hören, denn nur bei entsprechend tiefen Temperaturen lassen sich die schwachen Pulse überhaupt registrieren.

Ob ein Zerfall nun ein neutrinoloser war oder ob doch Neutrinos den Kern verlassen haben, erkennt man jedoch nicht einfach am Fehlen der Teilchen. Weil Neutrinos durch Lichtjahre dicke Bleiplatten fliegen könnten, ohne sich durch Stöße oder andere Prozesse bemerkbar zu machen, wird man sie mit GERDA in keinem Fall beobachten. Stattdessen verrät sich ein neutrinoloser Zerfall dadurch, dass die gesamte bei der Reaktion frei werdende Energie auf die beiden Elektronen entfällt. Sind hingegen zwei Neutrinos mit von der Partie, so "stehlen" sie den Elektronen einen Teil der Gesamtenergie und fallen den Experimentatoren auf diese Weise auf.

Schon seit einigen Wochen ist GERDA im Testbetrieb. Zunächst geht es den Forschern darum, ihr Experiment kennen zu lernen, bevor mehr Germaniumkristalle in den Tank hinabgelassen werden. Ein Jahr, so schätzen die Wissenschaftler, werde es dauern, bis GERDA die Daten seines Vorgängers, des Heidelberg-Moskau-Experiments, wird überprüfen können. Dort wollen einige Mitglieder der internationalen Arbeitsgruppe bereits Hinweise auf den neutrinolosen Doppelbetazerfall gesehen haben. In einer zweiten Phase soll GERDA – dann mit erheblich mehr Detektorkristallen als jemals zuvor – endgültig Klarheit schaffen. Gegenüber seinen Konkurrenten ist GERDA wohl im Moment eine Nasenspitze voraus. Sie könnten, so hoffen die Forscher, als erste am Ziel sein.

Der Wissenschaftsjournalist Jan Hattenbach betreibt auch den Blog Himmelslichter.

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