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News: Die Masse macht's

Neutrinos sind die leichtesten aller Elementarteilchen - vorausgesetzt, sie haben überhaupt eine Masse. Bis vor kurzem war diese Frage noch ungeklärt. Dabei könnte nicht weniger von der Antwort abhängen als das Schicksal des gesamten Universums. Doch Neutrinos lassen sich nicht so einfach detektieren, geschweige denn wiegen. Darum ist der jetzt geglückte Nachweis ihrer Masse auch indirekt erfolgt. Dennoch handelt es sich um eines der bedeutendsten physikalischen Ergebnisse der letzten Jahrzehnte.
Alle in der Natur beobachteten Kräfte lassen sich auf vier fundamentale Wechselwirkungen zurückführen, Mit deren Hilfe läßt sich der Zoo der Elementarteilchen in zwei große Gruppen unterteilen: Während die Hadronen der starken Wechselwirkung unterliegen, reagieren die Leptonen nur auf die drei anderen Wechselwirkungen. Die Leptonen gliedern sich in die Elektronen, die Myonen, die Tauonen und die Neutrinos. Von den drei erstgenannten sind die Ruhemassen bekannt, doch das Neutrino wurde bislang meist als masseloses Teilchen angesehen. Drei verschiedene Arten von Neutrinos sind bekannt: das Elektron-Neutrino, das Myon-Neutrino sowie das Tauon-Neutrino. Zu jedem einzelnen von ihnen existieren noch die entsprechenden Antiteilchen.

Neutrinos entstehen bei einer Vielzahl von Prozessen. Wenn zum Beispiel kosmische Höhenstrahlung (dabei handelt es sich meistens um Protonen aus dem Weltall) auf die Erdatmosphäre trifft, entsteht eine Fülle von Sekundärpartikeln, die alle fast mit Lichtgeschwindigkeit ungefähr in die gleiche Richtung fliegen. Einige von ihnen zerfallen gleich wieder und setzen dabei Neutrinos frei. Während Photonen absorbiert werden und geladene Teilchen mit den Luftmolekülen reagieren, werden Neutrinos auf ihrem Weg nicht behelligt, da sie keine Ladung tragen. Die meisten durchwandern einfach die Erde, ohne irgendwo "anzuecken", und auch jeder einzelne Mensche wird von Neutrinos passiert, ohne das leiseste Kitzeln zu spüren.

Ganz vereinzelt interagiert ein Neutrino aber doch mit Materie. Um solch seltene Ereignisse zu registrieren, haben Physiker riesige Detektoren wie den Super-Kamiokande in den japanischen Alpen errichtet. Er besteht aus einem doppelwandigen Tank , in dem sich 50 000 Kubikmeter ultrareinen Wassers befinden. Seine innere Wand ist mit lichtempfindlichen Sensoren, sogenannten Photomultipliern ausgekleidet. Um störende Einflüsse auszuschließen, befindet sich der Detektor mehr als 600 Meter tief unter dem Mount Ikena in einer alten Zinkmine, zusammen mit mehreren Tonnen elektronischer Geräte.

Trifft ein Neutrino auf ein Quark (eines der Elementarteilchen, aus denen sich Neutronen und Protonen aufbauen) im Kern eines Sauerstoffatoms eines Wassermoleküls, kann es dabei eine positive oder negative elektrische Ladung "aufschnappen" und wird zu einem Myon (dann war es ein Myon-Neutrino) oder zu einem Elektron (dann handelte es sich um ein Elektron-Neutrino). Fortan bewegt es sich noch eine Weile als geladenes Teilchen sehr schnell im Wasser. Seine Geschwindigkeit liegt nur knapp unter der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, überschreitet jedoch die Lichtgeschwindigkeit im optisch dichteren Wasser. Dadurch entsteht das optische Äquivalent eines Überschallknalls – die Tscherenkow-Strahlung. Den kurzen blauen Lichtblitz registrieren die Sensoren an den Wänden. An dem räumlichen und zeitlichen Muster, in dem die Photomultiplier ansprechen, läßt sich unterscheiden, ob das Neutrino als Myon oder Elektron weitergeflogen ist. Im Durchschnitt fängt der Super-Kamiokande alle 90 Minuten ein atmosphärisches Neutrino ein.

Aus theoretischen Berechnungen wußten die Wissenschaftler, daß doppelt so viele Myon-Neutrinos wie Elektron-Neutrinos aus der Atmosphäre zu erwarten wären. Aber bereits in früheren Versuchen an anderen Detektoren wurde ein Verhältnis gefunden, das dichter an einer 1:1-Verteilung lag. Viele Hypothesen wurden aufgestellt, um diese Neutrino-Anomalie zu erklären. Aber erst die Daten des neuen japanischen Detektors konnten zeigen, daß ein Defizit an Myon-Neutrinos die Abweichung verursachte. Von diesen kamen weniger von der anderen Seite des Globus durch die Erde zum Detektor als direkt vom asiatischen Himmel. Das ließ sich wiederum nur verstehen, wenn die Myon-Neutrinos auf ihrem längeren Weg zu anderen Arten von Neutrino (möglicherweise ein Tauon-Neutrino) wurden – ein quantenmechanischer Effekt, der als Neutrino-Oszillation bezeichnet wird. Das Neutrino wäre demnach mal ein Myon-, dann ein Tauon- und anschließend wieder ein Myon-Neutrino, immer im Wechsel. Je länger der Weg ist, den das Neutrino bis zum Detektor zurückzulegen hat, um so mehr Zeit bleibt ihm zu oszillieren. Neutrinos, die am Himmel über Japan entstehen, legen nur ungefähr 20 Kilometer zurück und befinden sich noch in ihrem Anfangszustand. Neutrinos vom anderen Ende der Erde durchlaufen auf den 20 000 Kilometern zum Detektor mehrere Zyklen und erreichen den Wassertank mal als Myon- und mal als Tauon-Neutrino.

Die Wissenschaftler des Projektes verbrachten das ganze letzte Jahr damit, nach einer anderen Erklärungsmöglichkeit als der Neutrino-Oszillation zu suchen. Doch dies blieb das einzige Modell, mit dem die Anomalie der atmosphärischen Neutrinos verstanden werden konnte. Da die Oszillation aber nur möglich ist, wenn Neutrinos nicht masselos sind, bedeutet das Ergebnis:

Neutrinos haben eine sehr kleine, aber von Null verschiedene Masse!

Das Ausrufezeichen hinter dem Satz ist berechtigt. Denn selbst wenn die Masse eines Neutrinos winzig sein sollte, so wäre die Gesamtmasse dennoch beträchtlich. Schließlich gibt es im Universum rund 1089 (eine 1 mit 89 Nullen) Neutrinos, d.h. etwa eine Milliarde mal so viel wie Protonen und Neutronen zusammen. Sie könnten damit einen gewaltigen Anteil an der Masse des Universums haben, eventuell stellen sie sogar den größten Anteil. Von der Gesamtmasse des Weltalls hängt nun ab, ob sich das Universum für immer und ewig weiter ausdehnen wird, oder ob die Expansionsbewegung von der Gravitation verlangsamt und schließlich zu einer Kontraktion umgekehrt wird. Das Schicksal der Welt hängt also davon ab, wieviel so ein Neutrino genau wiegt.

Nicht nur im Großen, auch im Kleinen wirkt sich die Erkenntnis aus, daß Neutrinos eine Masse haben. Das bisher benutzte Standard-Modell, mit dem alle experimentellen Daten zur Elementarteilchenphysik beschrieben wurden, ging von masselosen Neutrinos aus. Nicht wenige der theoretischen Modelle zur Natur von Materie müssen nun neu überdacht werden. Die Forscher hoffen, in diesem Prozeß ein Stück weiter zu kommen auf dem Weg zur Großen Vereinheitlichenden Theorie, die alle vier elementaren Wechselwirkungen zusammenfaßt.

Das Projekt wurde von einem internationalen Wissenschaftlerteam, der Super-Kamiokande Collaboration, durchgeführt, das vom Institute for Cosmic Ray Research der University of Tokyo geleitet wird. Die Ergebnisse wurden am 5. Juni 1998 auf der Neutrino 98 Conference in Takayama vorgestellt und sind zur Veröffentlichung in den Physical Review Letters eingereicht.

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