JUNO-Experiment in China: Verheißungsvolle Ergebnisse zu oszillierenden Neutrinos
Wenige Monate, nachdem ein riesiger Teilchendetektor in China den Betrieb aufgenommen hat, zeigen die ersten Ergebnisse: Hier wird Physikgeschichte geschrieben. Für eine Veröffentlichung hat das Team des Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) Daten aus 59 Messtagen ausgewertet. Die Resultate stimmen zuversichtlich, dass JUNO dabei helfen wird, eine entscheidende Frage der Teilchenphysik zu klären: Welches Neutrino ist das schwerste?
Neutrinos sind die rätselhaftesten Teilchen und entziehen sich hartnäckig einer genauen Vermessung. Sie interagieren kaum mit anderer Materie und galten lange als masselos. Doch dann stellte sich heraus, dass auch sie eine winzige Masse besitzen. Warum das so ist, konnte bislang niemand erkären. Aber genau wegen dieser Eigenschaft können sich die drei bekannten Arten von Neutrinos – Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos – ineinander umwandeln. Das Phänomen heißt Neutrinooszillation, und JUNO soll es vermessen.
Das Herzstück des Detektors besteht aus einer Kugel aus Plexiglas mit 35 Meter Durchmesser. Darin befindet sich ein flüssiger sogenannter Szintillator. In dem Material entstehen detektierbare Lichtblitze, sobald hindurch flitzende Neutrinos mit ihm wechselwirken – was extrem selten passiert. Die gesamte Apparatur befindet sich 650 Meter tief unter Gestein, um störende Signale anderer Teilchen abzuschirmen.
In jedem Neutrino steckt eine quantenmechanische Kombination aller drei möglichen Typen, es schwankt ständig zwischen Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Zwar kann JUNO nur Elektron-Neutrinos aufspüren, aber im Spektrum der gemessenen Energien verbergen sich Hinweise auf die Umwandlungen und die Massen der unterschiedlichen Neutrino-Arten.
Neutrinooszillation
Neutrinos kommen in drei Arten vor und können sich ineinander umwandeln. Wenn eine Quelle (etwa ein Kernreaktor oder ein spezialisierter Beschleuniger) Teilchen einer bestimmten Sorte erzeugt, schwankt die Wahrscheinlichkeit, sie auf ihrem Weg weiterhin in diesem Zustand anzutreffen – je nachdem, welche Strecke L die Neutrinos zurücklegen und welche Energie sie haben. So misst ein Detektor unmittelbar beim Entstehungsort eine andere Zusammensetzung des Strahls als ein zweites, typischerweise hunderte oder tausende Kilometer entfernt installiertes Gerät.
Es ist bereits bekannt, dass sich die Massen der Neutrinos unterscheiden, aber es ist unklar, welcher Typ schwerer ist als die anderen. Ist es wie bei den bekannten Teilchengenerationen – Elektronen sind leichter als Myonen, und Myonen sind leichter als Tauonen –, oder ist es bei den zugehörigen Neutrinos umgekehrt?
Die Bestimmung der sogenannten Neutrino-Massenhierarchie gilt als eine der größten offenen Fragen der Teilchenphysik. Auch astrophysikalische Rätsel hängen eng mit Neutrinos zusammen. Die Teilchen sind in enormer Zahl in der Anfangszeit des Kosmos hervorgegangen und entstehen heute noch in Unmengen, etwa bei Sternexplosionen.
JUNO detektiert vor allem Neutrinos von zwei nahe gelegenen Atomreaktoren. Das Experiment wurde gezielt im gleichen Abstand zu beiden konstruiert. Dadurch überlagern sich die Neutrinooszillationen gerade so, dass sich das Spektrum der gemessenen Energien präzise auswerten lässt. Nach zehnjähriger Bauzeit begann das Experiment im August 2025.
Die ersten Daten beweisen, dass das Konzept aufgeht: Bei zwei Parametern der Neutrinooszillation gelang bereits jetzt eine genauere Messung als mit allen anderen Experimenten zuvor. Das lässt darauf hoffen, dass sich mit den kombinierten Ergebnissen von JUNO sowie weiteren weltweit laufenden Versuchen in den kommenden Jahren zentrale Fragen zu den Neutrinos endlich beantworten lassen.
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