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Neutrinophysik: Endlich Klarheit - oder nicht?

Neutrinos sind ohnehin schon sonderbare Elementarteilchen, aber ein Experiment bescheinigte ihnen ein noch kurioseres Verhalten und stellte damit das bisherige Standardmodell auf den Kopf. Das war vor einem Jahrzehnt - jetzt verkünden Physiker, die den Gegenbeweis antreten wollten, ihre Ergebnisse.
Neutrinospuren
Neutrinos sind vielleicht nicht so berühmt wie ihre Verwandten, beispielsweise Elektronen oder Quarks, aber weder in Zahl noch in Bedeutsamkeit stehen sie ihnen nach. Anfangs existierten sie allerdings nur auf dem Papier, denn Wolfgang Pauli brauchte sie vor etwa siebzig Jahren, um die scheinbar fehlende Energie beim Beta-Zerfall zu erklären. Einem Freund sagte er: "Ich habe heute etwas sehr Schlechtes getan – ein Teilchen vorherzusagen, dass man nicht nachweisen kann."

Damit behielt er nicht ganz Recht, denn bei einem Weg von zweihundert aneinander gereihten Erden würde das ladungslose Teilchen immerhin einmal mit einem Atom zusammenstoßen und sich verraten – vorausgesetzt die richtigen Nachweisgeräte sind zur Stelle. Nach vielen Jahren und Experimenten gelang es, das Phantom zu überführen, das in drei verschiedenen Ausführungen auftritt: als Elektron-, Myon- oder Tau-Neutrino. Und damit fügt es sich wunderbar ins so genannte Standardmodell der Physik ein, das genau drei geladene Pendants für sie bereithielt und allesamt zur Familie der Leptonen vereinte.

Eleganz in Gefahr

Die Idylle schien kurz zerstört, als Physiker in den vergangenen zehn Jahren beobachteten, dass Neutrinos ihren Typ wechseln können. Denn oszillieren, so nennen Physiker die Zauberei, können Neutrinos nur, wenn sie unterschiedliche Massen besitzen. Das Standardmodell spricht ihnen aber überhaupt keine Masse zu. Auf Grund der erdrückenden Beweislast musste es diesbezüglich korrigiert werden.

Auch im Liquid Scintillating Neutrino Detector (LSND) am Los Alamos Laboratory in Neu-Mexiko versuchten Forscher von 1993 bis 1998 den Neutrinososzillationen auf die Spur zu kommen. Und sie wurden fündig – doch ihre Ergebnisse passten nicht ins Bild, das bisherige Versuche abgegeben hatten. Denn schon nach weniger als fünfzig Metern wandelten sich die von ihnen erzeugten Neutrinos in einen anderen Typ.

Das ließ sich nur mit einem neuartigen Teilchen erklären, das die Wissenschaftler steriles Neutrino nannten. Aus gutem Grund, denn sie müssten noch schwächer als ihre Kollegen mit Materie wechselwirken. Die Konsequenz: Die einträgliche Leptonenfamilie, in der jeder seinen festen Partner hat, bekommt plötzlich einen Einzelgänger dazugestellt. Die ganze Eleganz des Standardmodells schien in Gefahr.

Um diesen Missstand zu überprüfen, entwickelten Wissenschaftler das ähnlich angelegte Experiment Miniboone (Booster Neutrino Experiment) am Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois. In einem Beschleunigerring ließen sie einen Protonenstrahl mit Energien von mehreren Milliarden Elektronenvolt auf eine Metallplatte prallen. Bei der Kollision entstehen neue Teilchen – unter anderem auch Myon-Neutrinos. Diese rasen weiter, bis sie nach etwa 450 Metern in eine Kugel mit einem Durchmesser von rund zwölf Metern eintreten, die mit gereinigtem Mineralöl gefüllt und mit über tausend Nachweisgeräten ausgekleidet ist.

Verdächtige Hinterlassenschaften

Unter Tage | Die Neutrinos müssen erst etwa 500 Meter Erde durchqueren, bevor sie in den Detektor kommen. Kein Problem für ein Teilchen, das selbst bei einem Weg von zweihundert aneinander gereihten Erden nur einmal mit einem Atom zusammenstoßen würde.
Erst wenn die künstlich erzeugten Neutrinos mit Atomen im Öl zusammenprallen, machen sie sich bemerkbar – durch ein scheinbar wildes Durcheinander von geladenen Teilchen im Detektor. Aus diesen Hinterlassenschaften entschlüsseln die Physiker Sorte und ursprüngliche Richtung der verschiedenen Neutrinos. Das ist wichtig, denn unsere Welt ist voll von "natürlichen" Neutrinos. Legt man seine Hand auf einen Tisch und zählt bis drei, sausen mehrere Billionen durch sie hindurch. Größtenteils stammen sie aus der Sonne, wo sie in den Fusionsprozessen im Kern laufend entstehen.

Blick in den Tank | Insgesamt 1280 Nachweisgeräte sind an der Innenseite des Tanks montiert, um Zusammenstöße zwischen den Neutrinos und Atomen im Mineralöl zu registrieren. Auf diesem Bild fehlt allerdings noch das Öl.
Über drei Jahre sammelten die Forscher ihre Daten ohne auch nur einmal nachzusehen. Erst Ende März 2007 öffneten sie ihre Schatztruhe und fahndeten darin nach Spuren von Elektronen-Neutrinos, in die sich die ausgeschickten Myon-Neutrinos verwandelt haben sollten – vorausgesetzt die LSND-Ergebnisse stimmten. Doch obwohl die Teilchen eine zehnmal längere Wegstrecke zur Verfügung hatten, blieb die Suche erfolglos.

Neue Rätsel

Daraus schließen die Wissenschaftler, dass sich die früheren Resultate nicht mit Neutrinooszillation begründen lassen, die wohl doch einen längeren Reiseweg erfordert. Die Existenz steriler Neutrinos halten sie damit für sehr unwahrscheinlich – zumindest in diesem Zusammenhang. Grundsätzlich ausschließen wollen sie ein steriles Neutrino mit anderen Eigenschaften allerdings nicht.
Einen Haken haben aber auch die neuen Ergebnisse: Im Bereich niedriger Energien stimmen die Daten nicht mit ihren Prognosen überein. Bis jetzt ist die Quelle für die Abweichungen noch unklar. "Das Experiment lüftet ein Geheimnis und lässt uns ein neues Rätsel zurück", kommentiert Fermilab Direktor Pier Oddone die Situation. Aber irgendwie wäre es doch anders auch langweilig.

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