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Teilchenphysik: Experiment bestätigt mysteriös oszillierende Neutrinos

Das OPERA-Projekt unter dem Gran-Sasso-Massiv, bekannt durch angeblich überlichtschnelle Neutrinos, erreicht sein eigentliches Ziel.
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Mit einem Teilchenstrahl durch das Gestein der Erdkruste haben Physiker erstmals den direkten Nachweis für die Umwandlung einer der drei bekannten Neutrinoarten in eine andere erbracht – jener der Myon- in die Tau-Familien der Leptonen.

Das OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tracking Apparatus) genannte Projekt im unterirdischen Gran-Sasso-Labor in Italien machte bereits 2012 Schlagzeilen, als die beteiligten Arbeitsgruppen verlauten ließen, sie hätten überlichtschnelle Neutrinos gefunden – im augenscheinlichen Widerspruch zu Einsteins spezieller Relativitätstheorie. Während sich dieses Ergebnis später, nachdem diverse potenzielle Fehlerquellen auftauchten, als etwas peinliche Falschmeldung erwies, erreichte die OPERA-Kollaboration nun ihr eigentliches Ziel: die Umwandlung zwischen Neutrinos der verschiedenen Leptonenfamilien.

"Das war eine extrem schwierige Messung, die bisher noch niemand vorgenommen hat", erklärt Marco Pallavicini, Neutrinophysiker an der Universität Genua und selbst nicht Mitglied der OPERA-Kollaboration.

Es gibt drei Arten, "Flavours" genannt, von Neutrinos: Elektron, Myon und Tau. Die Flavours spielen auf den Umstand an, dass sie in jenen seltenen Fällen, in denen sie mit Protonen oder Neutronen interagieren, jeweils Elektronen, Myonen und Tau-Leptonen erzeugen.

Forscherinnen und Forscher vermuten seit Langem, dass Neutrinos ihre Flavours und damit von einem Typ zum anderen wechseln können. In diversen früheren Experimenten mit Quellen für Neutrinos einer bestimmten Sorte hatten die Detektoren weniger dieser Neutronen erfasst, als man erwartet hätte, wenn sie eben nicht ihren Flavour wechseln würden.

Bereits im Juli 2013 sah das T2K-Experiment in Japan erste direkte Beweise für das Erscheinen eines anderen Neutrinotyps – es waren also nicht einige der ausgesendeten Neutrinos einfach verschwunden. Das Team detektierte Elektron-Neutrinos in einem Strahl, der ursprünglich aus reinen Myonen-Neutrinos bestand.

Verstecktes Ziel

Zwischen 2008 und 2012 richteten Forscher am CERN, dem Teilchenphysiklabor in der Nähe von Genf, einen Strahl aus Myon-Neutrinos auf die Basis des Gran-Sasso-Massivs 730 Kilometer südöstlich. Das italienische Labor ist dort nahe einem Straßentunnel aus dem Fels gefräst worden.

Als der Neutrinostrahl nach einer gewissen Zeit in Gran Sasso ankam, hatten sich einige der Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos verwandelt. Und sobald diese die Blei-Targets im OPERA-Detektor trafen, produzierten sie tatsächlich die erwünschten Tau-Leptonen, wie die neuesten Ergebnisse nun zeigen.

Die Leptonen zerfallen binnen billionstel Sekunden, sagt Giovanni De Lellis, ein Physiker der Universität Neapel. Er wurde Sprecher der OPERA-Kollaboration, als sein Vorgänger 2012 nach einem Misstrauensvotum zurücktrat. "Auch wenn sie mit beinahe Lichtgeschwindigkeit reisen, schaffen sie weniger als einen Millimeter."

OPERA detektierte die kurzlebigen Teilchen mit einem Gitter aus 150 000 "Bricks", von denen jeder aus 57 gestapelten Emulsionsplatten mit acht Kilo Gewicht besteht. Die Konstruktion hat 110 000 Quadratmeter Oberfläche, deswegen erdachte das OPERA-Team ein automatisches System, das die Platten nach den mikroskopisch kleinen Spuren der Tau-Leptonen absuchte.

In einem Teilergebnis, das die Arbeitsgruppe letztes Jahr verkündete, zählte sie vier wahrscheinliche Tau-Leptonen-Sichtungen – nicht genug, um dies nach den anspruchsvollen Kriterien der Teilchenphysik als tatsächliche Entdeckung geltend machen zu können. Inzwischen jedoch fand sie ein fünftes Ereignis – genug für De Lellis, um das Experiment für erfolgreich zu erklären.

"Das Ergebnis war nicht garantiert", so der Physiker. Seit der CERN-Neutrinostrahl abgeschaltet ist, müssen sich De Lellis und Co mit den existierenden Daten begnügen. Fünf Ereignisse zu finden, erforderte ein bisschen Glück, gibt er zu. "Es hätten auch sechs sein können – oder vier, oder drei."

24/2015

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 24/2015

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