Direkt zum Inhalt

Teilchenphysik: Hinweise auf vierte Neutrino-Art erhärten sich

Experimente mit Gallium weisen eine seltsame Anomalie auf, die von »sterilen Neutrinos« herrühren könnte. Diese hypothetischen Teilchen gelten als viel versprechende Kandidaten für Dunkle Materie.
Bunte Kugeln als Neutrinos
Bisher konnten drei verschiedene Arten von Neutrinos nachgewiesen werden – vielleicht gibt es auch noch eine vierte.

Neutrinos werden nicht umsonst als »Geisterteilchen« bezeichnet: Sie haben keine elektrische Ladung und wiegen so gut wie nichts. In jeder Sekunde durchströmen einen Daumennagel etwa 100 Milliarden dieser Teilchen – glücklicherweise ohne dabei Schäden anzurichten. Denn wie ihr Spitzname nahelegt, wechselwirken sie kaum mit ihrer Umgebung. Das macht es für Forscherinnen und Forscher aber umso schwerer, die geisterhaften Partikel zu untersuchen. Daher bergen sie noch einige Geheimnisse – etwa, wie viel sie genau wiegen oder wie viele Neutrinosorten es gibt. Nun deuten Experimente des Teams um Keenan Thomas vom kalifornischen Lawrence Livermore Laboratory darauf hin, dass es neben den drei bekannten Neutrinosorten – den Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos – noch eine vierte Art geben könnte. Diese »sterilen Neutrinos« wären demnach die geisterhaftesten der Geisterteicheln und könnten eines der größten kosmologischen Rätsel lösen: Sie gelten als viel versprechende Kandidaten für Dunkle Materie.

Hinweise auf sterile Neutrinos lieferten unter anderem Experimente aus den 2000er und 2010er Jahren. Dort bestrahlten Fachleute Galliumatome mit Neutrinos. Sie nutzten dafür Chrom-51-Isotope, die beim radioaktiven Zerfall Elektron-Neutrinos erzeugen. Die Geisterteilchen führen dazu, dass sich ein Neutron im Innern der Galliumatome durch die schwache Kernkraft zu einem Proton und einem Elektron wandelt, so dass aus Gallium-71 ein Germanium-71-Kern wird. In ihren Laborversuchen fanden die Forschungsteams auch tatsächlich Germanium vor – aber viel weniger, als theoretische Berechnungen vorhersagen. Sie konnten nur etwa 75 Prozent der erwarteten Menge an Germanium nachweisen.

Eine mögliche Erklärung für das unerwartete Phänomen, das inzwischen als »Galliumanomalie« bekannt ist, liefern sterile Neutrinos. Anders als die drei anderen Neutrinosorten wechselwirken diese hypothetischen Teilchen bloß über die Schwerkraft – und können daher keine radioaktiven Zerfälle induzieren. Falls sich ein Teil der Elektron-Neutrinos in diese hypothetischen sterilen Neutrinos umwandelten, würden letztere die Galliumkerne in den Experimenten unberührt lassen. Daher würde sich ein geringerer Anteil an Kernen durch die schwache Kernkraft zu Germanium wandeln. Die Existenz steriler Neutrinos wäre spektakulär, denn auf Grund ihrer geisterhaften Eigenschaften könnten sie die fehlende Masse im Universum erklären, die als Dunkle Materie bekannt ist.

Schlupflöcher stopfen

Doch die Galliumanomalie könnte auch anders erklärt werden, da die Messungen Schlupflöcher zulassen. Deshalb wurden in den Folgejahren präzisere Experimente durchgeführt, welche die vorherigen Ergebnisse untermauern: Immerzu fanden die Forschenden zu wenig Germanium vor. Daher konzentrierten sich Keenan Thomas und sein Team auf die Halbwertszeit von Germanium-71, die 1985 auf 11,43 Tage bemessen wurde. Eine 2023 veröffentlichte Studie hatte aber gezeigt, dass eine etwas längere Halbwertszeit von 12,5 bis 13,5 Tagen die fehlende Menge an Germanium in den Galliumexperimenten erklären könnte – und sich die Anomalie somit in Luft auflösen würde.

Daher haben die Fachleute um Thomas die Halbwertszeit von Germanium erneut und präziser bestimmt. Dafür fertigten die Physiker drei Germanium-71-Proben an, die sie über eine Dauer von 80 Tagen mit drei verschiedenen Detektoren untersuchten. So ermittelten sie die bisher genaueste Halbwertszeit des Isotops: 11,468 ± 0,008 Tage. Ihre Messungen stimmen also sehr gut mit den ursprünglichen Ergebnissen aus dem Jahr 1985 überein. Damit haben die Forschenden ein Schlupfloch für die Erklärung der Galliumanomalie geschlossen: Die Halbwertszeit von Germanium kann die Anomalie nicht erklären.

Damit ist die Existenz von sterilen Neutrinos zwar nicht bestätigt, aber die indirekten Hinweise auf die geisterhaftesten der Geisterteilchen mehren sich. Um einen konkreten Nachweis zu erbringen, nehmen Forschungsteams am Fermilab in Illinois aktuell Neutrinostrahlen extrem genau unter die Lupe. Indem sie die Teilchen in mehreren Detektoren nacheinander vermessen, hoffen sie, unter den Myon-, Elektron- und Tau-Neutrinos einen fehlenden Anteil zu finden – dieses fehlende Signal würde für sterile Neutrinos sprechen, die sich unseren Messapparaturen entziehen. Bis es eindeutige Resultate gibt, wird es aber noch Zeit brauchen.

WEITERLESEN MIT SPEKTRUM - DIE WOCHE

Im Abo erhalten Sie exklusiven Zugang zu allen »spektrum.de« Artikeln sowie wöchentlich »Spektrum - Die Woche« als PDF- und App-Ausgabe. Genießen Sie uneingeschränkten Zugang und wählen Sie aus unseren Angeboten.

Zum Angebot

(Sie müssen Javascript erlauben, um nach der Anmeldung auf diesen Artikel zugreifen zu können)

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Quellen
Thomas, K. et al.: Half-life of 71Ge and the gallium anomaly. Physical Review C 109, 2024

Partnerinhalte

Bitte erlauben Sie Javascript, um die volle Funktionalität von Spektrum.de zu erhalten.