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Radioaktivität: Der Beta-Test

Einige Physiker wollen eine außergewöhnlich seltene Form von Radioaktivität beobachtet haben, doch auch zehn Jahre später zweifeln noch viele die Ergebnisse an. In diesem Jahr könnten Experimente die langjährige Debatte beenden.
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Etwa einmal alle zehn Quadrillionen Jahre halten sich bestimmte Atomkerne womöglich nicht an die Regeln: Zwei ihrer Neutronen wandeln sich in Protonen um und setzen dabei Elektronen frei. Ein eigentlich gewöhnlicher Zerfall, wenn nicht die zugehörigen Nebenprodukte fehlen würden – geisterhafte Elementarteilchen, genannt Neutrinos. Um überhaupt eine Chance zu haben, diesen äußerst seltenen "neutrinolosen doppelten Betazerfall" nachzuweisen, braucht es zunächst ein paar Quadrillionen Atome (eine Zahl mit 24 Nullen) eines geeigneten Isotops: Das entspricht einigen Dutzend oder sogar hunderten Kilogramm.

Als Nächstes müssen die Physiker das Material tief unter die Erde schaffen, um es vor kosmischer Strahlung und natürlicher Radioaktivität zu isolieren, und dann Jahre damit verbringen, potenzielle Zerfallsereignisse zu zählen – so lange, bis sie sich absolut sicher sind, dass alle gemessenen Signale nicht vom Hintergrundrauschen stammen. Trotz dieser komplizierten und mühsamen Prozedur haben sich mehrere Forschergruppen rund um die Welt auf die Suche nach dem Zerfall gemacht. Manche von ihnen können möglicherweise schon Ende dieses Jahres beantworten, ob es ihn tatsächlich gibt.

Ein definitiver Nachweis, sagt Teilchenphysiker Ettore Fiorini von der Universität Mailand-Bicocca, sei "in der Physik eine der wichtigsten Entdeckungen der vergangenen 100 Jahre". Denn es würde bedeuten, dass das elektrisch neutrale, nahezu masselose Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Damit unterschiede sich dieses Elementarteilchen von allen anderen. Mit diesem Wissen könnten Physiker dann auch endlich die Masse des Neutrinos dingfest machen – und vielleicht sogar verstehen, warum Materie überhaupt existiert.

Streit seit einem Jahrzehnt

Doch selbst wenn sich der Zerfall nicht beobachten lässt, hätte ein definitives Ergebnis sein Gutes: Es würde eine Kontroverse beenden, die Neutrinophysiker seit 2001 führen. Hans Klapdor-Kleingrothaus und seine Kollegen am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg behaupteten damals, das Phänomen in einem Detektor im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor gesehen zu haben [1]. Viele Physiker halten dagegen und vermuten, das Team habe einfach natürliche Radioaktivität mit dem exotischen Zerfall verwechselt. Sogar einige Mitglieder der Gruppe, darunter Wissenschaftler vom Kurtschatow-Institut in Moskau, glaubten nicht an den Erfolg und verließen unter Protest die Forschungskooperation.

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Reines Germanium | Germanium gehört zu den Halbmetallen, wird aber nach neuerer Definition auch als Halbleiter klassifiziert. In elementarer Form ist es sehr spröde, aber an der Luft bei Raumtemperatur auch sehr beständig.

Die Gruppe um Klapdor-Kleingrothaus weigerte sich jedoch, einen Rückzieher zu machen. Das ist nicht überraschend, sagt Stefan Schönert vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. Der Physiker ist Sprecher für GERDA (Germanium Detector Array), ein anderes Experiment im Gran-Sasso-Labor. Sollte sich die Behauptung bestätigen, sagt er, "ginge der Nobelpreis an Klapdor-Kleingrothaus".

"Es deutet nichts darauf hin, dass er offensichtlich falschliegt", ergänzt auch Neutrinophysiker Steven Elliott vom Los Alamos National Laboratory im US-Bundesstaat New Mexico. "Aber das ist eindeutig eine folgenschwere These, und da neigt man eben dazu, skeptisch zu sein. Wir wollen einen wirklich wasserdichten Beweis dafür, ob seine Ergebnisse richtig oder falsch sind."

Kristallklar

Diesen Beweis zu erbringen, stellt eine enorme Herausforderung dar. Denn bei diesem Unterfangen ist nichts einfach – wie allein der Detektor demonstriert, der im Zentrum der Debatte steht. Im so genannten Heidelberg-Moskau-Experiment besteht dieser aus elfeinhalb Kilogramm reinem Germanium, das sich zu 86 Prozent aus Germanium-76 zusammensetzt, während der natürliche Anteil dieses Isotops bei nur sieben Prozent liegt. Germanium-76 zählt zu einem von nur rund einem Dutzend bekannter Isotope, die den gewöhnlichen Doppelbetazerfall zeigen und damit automatisch einen geeigneten Kandidaten für den neutrinolosen Zerfall darstellen. Zudem handelt es sich bei Germanium um einen Halbleiter, weshalb das Material sowohl als Quelle wie auch als Detektor dienen kann: Alle emittierten Elektronen würden ihre Energie in Form eines beobachtbaren Strompulses in den umgebenden Kristall abgeben.

"Sollte sich die Behauptung bestätigen, ginge der Nobelpreis an Klapdor-Kleingrothaus"
(Stefan Schönert)

1990 lieferte das Heidelberg-Moskau-Experiment die ersten Daten. Die Forscher isolierten das Germanium-76 so gut wie möglich von jeder Hintergrundstrahlung, die das gesuchte Signal imitieren könnte. So schützte der 1400 Meter dicke Fels über dem Gran-Sasso-Labor bereits vor kosmischer Strahlung [2]. Den größten Teil der aus dem umgebenden Gestein stammenden Radioaktivität schirmte das Team mit massiven Blei- und Kupferplatten ab. Zudem stellten sie die verschiedenen Komponenten des Experiments aus Materialien her, die eine geringe natürliche Radioaktivität aufweisen.

Nach diesen Vorarbeiten galt es nun, zwischen den verschiedenen Arten des doppelten Betazerfalls zu unterscheiden. Die Halbwertszeit für den neutrinolosen Doppelbetazerfall – angenommen, es gibt ihn tatsächlich – schätzte man damals auf mehr als 1022 Jahre. Die Forscher erwarteten daher, nicht mehr als einige tausend neutrinolose Ereignisse pro Jahr in ihren elfeinhalb Kilogramm Germanium zu sehen; der gewöhnliche Doppelbetazerfall sollte dagegen eine Halbwertszeit in der Größenordnung von 1020 Jahren besitzen und damit mindestens 100-mal mehr Ereignisse generieren. Und die Zerfallsprodukte – jeweils ein Elektronenpaar – würden identisch aussehen, während die Neutrinos keine Spuren im Detektor hinterlassen und damit unbemerkt blieben.

Um den neutrinolosen Zerfall dennoch ausfindig machen zu können, messen die Physiker die Energie der Elektronen. Bei einem gewöhnlichen Doppelbetazerfall verteilt sich die Gesamtenergie sowohl auf die beiden Elektronen als auch auf die Neutrinos. Da sich die jeweils zugeordneten Energien dabei zufällig von einem Zerfall zum nächsten ändern, erstrecken sich die Elektronenenergien über einen weiten Wertebereich. Im Gegensatz dazu nehmen die Elektronen im neutrinolosen Zerfall die gesamte Energie auf und zeigen somit nur bei einem einzigen Wert in ihrem Energiespektrum einen deutlichen Ausschlag – im Fall von Germanium-76 bei 2039 Kiloelektronvolt (keV).

Das Problem der Hintergrundstrahlung

Und exakt dieses Muster wollen Klapdor-Kleingrothaus und seine Kollegen angeblich gesehen haben. Nach fast zehn Jahren der Datennahme sei genau bei der erwarteten Energie ein Ausschlag zu verzeichnen, der rund 15 Ereignisse umfasse – die Wahrscheinlichkeit, dass dieser Ausschlag auf eine statistische Schwankung in der Hintergrundstrahlung zurückgehe, liege unter drei Prozent. Der neutrinolose Doppelbetazerfall sei gefunden worden, behaupteten die Wissenschaftler.

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GERDA | Tief im Bergstock des Gran Sasso in Italien verbergen sich hochempfindliche Messgeräte – darunter auch GERDA, der Germanium Detector Array, der den neutrinolosen doppelten Betazerfall nachweisen soll. Das Bild entstand 2009 während des Aufbaus des Detektors.

Doch Kritiker – und es gab viele davon – sind sich nicht so sicher. Bedenken haben sie vor allem wegen der vielen anderen Ausschläge in den Daten (meist verursacht durch die nie ganz abzuschirmende Hintergrundstrahlung), die das Team vielleicht nicht sorgfältig berücksichtigt hatte. In diesem Sinne verfassten Elliott und 25 weitere Physiker 2002 einen Kommentar [3] in der Fachzeitschrift "Modern Physics Letters A", die das Ergebnis damals veröffentlicht hatte. Sie waren beispielsweise nicht davon überzeugt, dass einige der Ausschläge korrekt dem Isotop Wismut-214 zugeschrieben worden waren, welches sich in den Felsen rund um das Labor sowie in den Detektorkomponenten befindet. Könne das Team dies nicht nachweisen, so die Kritiker, dürfte es wohl kaum behaupten, die Ursache für den Ausschlag bei 2039 keV tatsächlich zu kennen.

Die Gruppe um Klapdor-Kleingrothaus reagierte mit drei weiteren Jahren der Datennahme, wobei sie die Signaturen von Wismut-214 besonders sorgfältig maßen und identifizierten [4]. Außerdem verfolgten die Wissenschaftler jeden Energieeintrag in ihren Detektor, indem sie das Anwachsen und Abflauen des elektrischen Stroms über mehrere hundert Nanosekunden registrierten. In diesem Zeitraum sollte die frei gegebene Energie sowohl im gewöhnlichen als auch im neutrinolosen Doppelbetazerfall einen einzelnen Puls erzeugen. Die natürliche Radioaktivität der Umgebung ruft dagegen in der Regel gleich mehrere Pulse im Detektor hervor. So lässt sich leichter zwischen Signalen und Hintergrund unterscheiden.

Diese Analyse merzte einen Großteil des Hintergrundrauschens aus, ebenso wie vier der Ereignisse bei 2039 keV. Für die verbleibenden elf Ereignisse legte das Team aber eine deutlich verbesserte statistische Signifikanz vor. Der Ausschlag stehe im Einklang mit einer Halbwertszeit von 2,2 mal 1025 Jahren für den neutrinolosen Doppelbetazerfall in Germanium-76 und mit einer Neutrinomasse von etwa 0,3 eV. "Da ist ein Signal bei der richtigen Energie, und wir zeigen, dass die Ereignisse in diesem Signal alle die erwartete Signatur aufweisen", sagt Klapdor-Kleingrothaus, wobei er sich auf die Energieabgabe in einem einzelnen Puls bezieht. "Mehr als das können Sie nicht tun."

Skeptiker zeigen sich nach wie vor nicht überzeugt; es wird weiterhin darüber diskutiert, ob man die Hintergrundstrahlung nun tatsächlich korrekt einbezogen hatte. Im November 2003 endete das Heidelberg-Moskau-Experiment. Seither wies kein anderer Doppelbetazerfall-Detektor eine genügend hohe Empfindlichkeit auf, um die Interpretation des Teams zu überprüfen. Erst jetzt erreicht eine neue Generation von Experimenten allmählich dieses Niveau.

Neue Experimentegeneration

Eines, das diesem Ziel vermutlich am nächsten kommt, ist das Enriched Xenon Observatory (EXO) in Carlsbad im US-Bundesstaat New Mexico. Hier suchen die Wissenschaftler in 200 Kilogramm flüssigem Xenon, angereichert mit Xenon-136 und rund 650 Meter unter der Erde verborgen, nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall. Im vergangenen Monat erklärte der beteiligte Physiker Jacques Farine von der Laurentian University im kanadischen Sudbury auf der Konferenz "Neutrino 2012" in Kioto, Japan, dass man in den zwischen September 2011 und April 2012 aufgenommenen Daten keinen Hinweis auf den neutrinolosen Zerfall gefunden habe. Die Ergebnisse, so die Kollaboration, kämen "nahezu einer vollständigen Widerlegung" der Heidelberg-Moskauer These gleich [5].

Vielleicht aber auch nicht. Denn bei EXO verwendeten die Wissenschaftler ein anderes Isotop als im Heidelberg-Moskau-Experiment. Und bisher ist völlig unklar, wie sich die verschiedenen Kernstrukturen auf die Häufigkeit des neutrinolosen Doppelbetazerfalls auswirken. Das gewährt dem Team um Klapdor-Kleingrothaus einen gewissen Spielraum, selbst wenn die Ergebnisse nicht nur bei EXO weiterhin negativ ausfallen, sondern auch bei zwei anderen, konkurrierenden Experimenten: dem KamLAND-Zen-Projekt in der kilometertiefen Kamioka-Mine in Japan, das ebenfalls mit Xenon-136 arbeitet, und dem Detektor des Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (COURE) im Gran-Sasso-Labor, der Tellur-130 nutzt.

Ließe sich auch bei GERDA nichts beobachten, gäbe es allerdings keinen Spielraum mehr: Der Detektor besteht aus angereichertem Germanium, das teils bereits im Heidelberg-Moskau-Experiment zum Einsatz kam sowie teils beim International Germanium Experiment, das in den 1990er Jahren von Physikern aus den USA, Russland, Spanien und Armenien am Canfranc-Labor unter den Pyrenäen betrieben wurde. GERDA weist ein deutlich niedrigeres Level an Hintergrundereignissen auf als seine Vorgänger, erklärt Schönert, unter anderem weil die Materialien nahe dem Germaniumkörper reiner sind. Aus diesem Grund wird das im November 2011 gestartete GERDA-Experiment die Empfindlichkeit des Heidelberg-Moskau-Experiments schnell erreichen und dann übertreffen. Bis Ende 2012 oder Anfang 2013 sollten ausreichend Daten vorhanden sein, so Schönert, um Klapdor-Kleingrothaus zu bestätigen oder aber zu widerlegen.

Eine Frage des Maßstabs

Doch letztlich würde auch ein negatives Ergebnis von GERDA die Idee eines neutrinolosen Doppelbetazerfalls nicht unbedingt verwerfen. Es könnte einfach bedeuten, dass der Zerfall seltener auftritt, als die Gruppe um Klapdor-Kleingrothaus berechnete – in diesem Fall bräuchten Forscher viel größere Detektoren, um ihn zu entdecken. Michel Sorel von der spanischen Forschungseinrichtung CSIC und Koordinator des NEXT-Experiments (Neutrino Experiment with a Xenon-Time Projection Chamber) im Canfrac-Labor schätzt, dass möglicherweise mehrere Tonnen an Material erforderlich seien. Einige der bereits bestehenden Kollaborationen planen, ihre Detektoren aufzurüsten und so den Multi-Tonnen-Maßstab zu erreichen. Die Kosten für den Bau, 80 bis 160 Millionen Euro pro Stück, bedeuten allerdings, glaubt Sorel, dass wahrscheinlich nur ein solches Experiment jemals realisiert werden wird.

In der Zwischenzeit kann es Sorel jedoch kaum erwarten, die Behauptung der Heidelberg-Moskau-Gruppe mit den gegenwärtigen Detektoren zu überprüfen. "Ein Großteil der Forschergemeinde war gegen diese Interpretation und ist es wohl noch immer," meint der Physiker. "Aber die Leute nehmen sie ernst, und deshalb baute man Germanium-Experimente wie GERDA."

Es wäre "fantastisch", so Schönert, wenn sich die Ergebnisse der Heidelberg-Moskau-Gruppe als richtig erwiesen. Denn dann könnten Experimente die Mechanismen hinter dem neutrinolosen Doppelbetazerfall erforschen. Denkbar wäre beispielsweise ein "virtuelles" Neutrino, das zu schnell von einem Neutron zum anderen hüpft, um nachgewiesen zu werden. Einen anderen Ansatz stellt eines der lang gesuchten "supersymmetrischen" Teilchen dar, das Physiker als Erweiterung des Standardmodells der Teilchen und Kräfte vorschlagen.

Wichtig ist jetzt, sagt Schönert, dass die an den Experimenten zum neutrinolosen Doppelbetazerfall beteiligten Physiker ihren Wettbewerbseifer im Zaum halten. "Wer Klapdor-Kleingrothaus als Erster widerlegt oder bestätigt, ist nicht wichtig", bekräftigt er, "dass die Daten von hoher Qualität sind, dagegen schon. Wir müssen versuchen, den Gemeinschaftsgeist zu wahren und nicht der Lauteste zu sein."

Die drei Arten des Betazerfalls und warum sie wichtig sind

Gewöhnlicher Betazerfall: Dieses Phänomen tritt auf, wenn ein Neutron spontan ein Elektron sowie ein Antineutrino emittiert und sich in ein Proton umwandelt. Sind Neutronen nicht in einem Atomkern gebunden, ist die Hälfte von ihnen nach rund zehn Minuten auf diese Weise zerfallen. Für Neutronen in instabilen Kernen kann die Halbwertszeit dagegen nur ein paar tausendstel Sekunden betragen.

Doppelbetazerfall : Dieser Zerfall tritt in eigentlich stabilen Kernen auf, die eine gerade Anzahl an Neutronen und Protonen enthalten. Wenn sich zwei ihrer Neutronen gleichzeitig in Protonen umwandeln und zwei Elektronen sowie zwei Antineutrinos emittieren, werden diese Isotope sogar noch stabiler. Dieser Zerfall wurde erstmals 1987 beobachtet. Seine Halbwertszeit variiert von Isotop zu Isotop, beträgt aber mindestens 1018 Jahre.

Neutrinoloser Doppelbetazerfall: In den gleichen Kernen könnte theoretisch auch die neutrinolose Variante des doppelten Betazerfalls auftreten. Dabei sollten sich die beiden emittierten Antineutrinos gegenseitig vernichten, so dass keines von ihnen aus dem Kern entweicht. Eigentlich müsste man also vom "antineutrinolosen" Zerfall sprechen, doch verwenden Wissenschaftler die Begriffe Neutrino und Antineutrino oft synonym. Die Halbwertszeit für diesen Zerfall liegt bei mindestens 1025 Jahren.

Schwer wiegende Folgen

Würde sich die Existenz des neutrinolosen Doppelbetazerfalls tatsächlich bestätigen, hätte das große Auswirkungen auf die Teilchenphysik. So wäre das Auslöschen der beiden Antineutrinos nur möglich, wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Damit wäre das Neutrino das erste Beispiel eines "Majorana-Teilchens" – benannt nach dem italienischen Physiker Ettore Majorana, der solche Teilchen in den 1930er Jahren vorhergesagte. Darüber hinaus würde die Emission von zwei Elektronen ohne Antineutrinos ein als "Erhaltung der Leptonenzahl" bekanntes Symmetrieprinzip verletzten. Das wiederum könnte den Forschern helfen, Theorien jenseits des Standardmodells der Elementarteilchenphysik zu entwickeln.

Die Entdeckung würde auch die erste direkte Messung der Neutrinomasse erlauben, die sich aus der Halbwertszeit des Zerfalls ableiten ließe. Zwar haben Experimente bereits gezeigt, dass die Masse größer als null sein muss, den absoluten Wert konnte man aber noch nicht berechnen. Hätte man diesen, könnten Astronomen beispielsweise herausfinden, wie die Neutrinos im frühen Universum die Galaxienentstehung beeinflusst haben. Denn Galaxien gingen aus Klumpen von schweren, sich langsam bewegenden Teilchen hervor, die sich auf Grund ihrer gegenseitigen Schwerkraft nahezu unmittelbar nach dem Urknall zusammenfanden. Neutrinos bewegen sich dagegen fast mit Lichtgeschwindigkeit und bildeten damals einen nahezu gleichmäßigen Nebel, der – dank der vereinten Schwerkraft von allen diesen winzigen Massen – das Ansammeln von Materie verlangsamte. Je mehr Masse die Neutrinos nun besitzen, umso langsamer hätten die Galaxien entstehen sollen.

Schließlich könnte der Nachweis auch eine andere grundlegende Frage klären: Warum besteht das Universum offenbar fast ausschließlich aus Materie – obwohl im Urknall vermutlich gleiche Mengen an Antimaterie entstanden? Möglicherweise zerfielen die Teilchen im frühen Universum etwas öfter in Teilchen als in Antiteilchen, vermutet ein Erklärungsansatz. Da sich Materie und Antimaterie gegenseitig vernichten, bliebe auf diese Weise letztlich nur noch Materie übrig. Diese Teilchen – die viel massereicheren Partner des Neutrinos – könnten nur existieren, wenn es sich bei den Neutrinos tatsächlich um Majorana-Teilchen handelt.

29. KW 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 29. KW 2012

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  • Quellen
[1] Klapdor-Kleingrothaus, H.V. et al.: Evidence for neutrinoless double beta decay. In: Modern Physics Letters A 16, S. 2409–2420, S2001
[2] Nosengo, N.: Gran Sasso: Chamber of physics. In: Nature 485, S. 435–438, 2012
[3] Aalseth, C. E. et al.: Comment on "Evidence for neutrinoless double beta decay". In: Modern Physics Letters A 17, S. 1475–1478, 2002
[4] Klapdor-Kleingrothaus, H.V., Krivosheina, I.V.: The Evidence for the Observation of neutrinoless double beta decay: The Identification of neutrinoless double beta decay events from the full spectra. In: Modern Physics Letters A 21, S. 1547–1566, 2006
[5] Auger, M. et al.: Search for Neutrinoless Double-Beta Decay in 136-Xe with EXO-200. Preprint bei http://arxiv.org, 1205.5608v1, 2012

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