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Teilchenphysik: Uran-Experiment widerlegt Existenz von sterilen Neutrinos

Seit Jahren beobachten Physiker in der Nähe von Kernkraftwerken weniger Antineutrinos als erwartet. So auch dieses Mal. Sterile Neutrinos aber können die Anomalie nachweislich nicht erklären. Ist die Theorie nun endgültig widerlegt?
Blick ins STEREO-Experiment
Blick von oben auf den Forschungsreaktor des Instituts Laue-Langevin bei Grenoble, wo sich das STEREO-Experiment befindet.

Es gibt sie. Es gibt sie nicht. Es gibt sie. Es gibt sie nicht. Mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit gibt es sie wohl wirklich nicht. Die Rede ist von sterilen Neutrinos. Im Jahr 1996 wurden ihre Existenz das erste Mal postuliert, um einen Neutrinoüberschuss zu erklären, der bei Messungen am Los Alamos National Laboratory in den USA aufgetreten war. Wiederholt haben außerdem Detektoren, die den Elementarteilchen im Umfeld von Atomkraftwerken nachspüren, weniger ihrer Antiteilchen nachgewiesen als theoretisch erwartet. Die Abweichung ist als Reaktor-Antineutrino-Anomalie bekannt. Die STEREO-Kollaboration bestätigt nun in einem Artikel im Fachmagazin »Nature« zwar die Anomalie, berichtet aber, dass diese Diskrepanz nicht durch die Existenz eines sterilen Neutrinos erklärt werden kann.

Neutrinos gehören zu den häufigsten Teilchen im Universum – und auch zu den geheimnisvollsten. Sie besitzen Masse, doch wie viel genau, weiß man nicht. Bislang konnte nur eine Obergrenze festgelegt werden. Sie lassen sich in drei Familien oder »Flavours« einteilen: in Elektron-, Tau sowie Myon-Neutrinos. Doch es könnten auch mehr sein. Weil sie so wenig mit Materie wechselwirken, spüren wir nicht, dass sie jetzt – in dieser Sekunde – milliardenfach durch uns hindurchfliegen. Deshalb lassen sie sich auch nicht direkt nachweisen, sondern nur über andere Partikel, die bei ihrer Interaktion mit Atomkernen entstehen.

Zudem wandeln sie sich fortlaufend ineinander um: Physiker sagen, sie oszillieren. Der Effekt entsteht, weil jedes Neutrino eine Mischung der drei Neutrinotypen ist – Interferenz zwischen ihnen sorgt dafür, dass zu unterschiedlichen Zeiten ein unterschiedlicher Neutrinotyp die Mischung dominiert. Heute können Neutrino-Oszillationsexperimente das »Verschwinden« und das »Auftauchen« von Neutrinos sehr exakt messen. Von der Theorie nicht vorhergesagte Unregelmäßigkeiten, so genannte Anomalien, in den Daten könnten darauf hindeuten, dass sich in der Neutrino-Mischung ein viertes, exotisches Neutrino versteckt. Dieses wäre steril, das heißt, es interagiert ausschließlich über die Schwerkraft mit seiner Umgebung und spürt sonst keine Kräfte.

Neutrinooszillation | Die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron-, Tau- oder Myon-Neutrino anzutreffen, variiert sinusförmig in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg.

Das STEREO-Experiment, kurz für »Sterile Reactor Neutrino Oscillations«, wurde im Jahr 2016 am Forschungsreaktor des Instituts Laue-Langevin (ILL) im französischen Grenoble installiert und misst das Antineutrino-Energiespektrum, das mit der Spaltung von Uran-235 verbunden ist, in kurzen Entfernungen mit hoher Präzision. Denn in Kernspaltungsreaktionen werden Elektron-Antineutrinos in großen Mengen erzeugt. Um die in den Reaktoren erzeugten Elektron-Antineutrinos zur Untersuchung der Neutrino-Oszillation nutzen zu können, muss man sowohl den Fluss der emittierten Antineutrinos als auch die Anzahl der bei bestimmten Energien erzeugten Antineutrinos (das Energiespektrum) kennen. Im Jahr 2011 stellte ein Forschungsteam des französischen Forschungszentrums für Kernenergie fest, dass der durchschnittliche Antineutrinostrom, der bei diesen Experimenten nachgewiesen werden kann, etwa 6 Prozent unter dem vorhergesagten Wert liegt.

Wenn sich diese Elektron-Antineutrinos in sterile Antineutrinos umwandeln würden, müsste man erwarten, dass sich das Antineutrino-Flussdefizit von 2011 bestätigt. Und weil sich die Teilchen auf ihrem Weg allmählich in die anderen Sorten umwandeln, sollte das Antineutrino-Energiespektrum mit der Entfernung vom Reaktor variieren. Obwohl der von den Autoren gemessene Fluss tatsächlich um 5,5 Prozent niedriger war als die Modellvorhersage, zeigte sich das erwartete Oszillationsmuster nicht in ihren Ergebnissen.

»Das gemessene Antineutrino-Energiespektrum deutet darauf hin, dass die Anomalien auf Verzerrungen in den für die Vorhersagen verwendeten Kernreaktions-Daten zurückzuführen sind«, stellt das Forschungsteam fest. Damit hat das STEREO-Experiment zwar die bereits bekannte Antineutrino-Anomalie bestätigt, die Ursache dafür jedoch bleibt ein Rätsel. »Die beeindruckende Präzision des Experiments hat dafür gesorgt, dass das sterile Neutrino nicht mehr als Erklärung in Frage kommt», schreibt der Physiker Jun Cao von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der nicht an den Experimenten beteiligt war, in einem »Nature«-Begleittext. »Dadurch kann die lange gehegte Hypothese ad acta gelegt und das Feld für neue Theorien geöffnet werden.« Die Suche nach einer Erklärung geht weiter.

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