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Seltener Betazerfall eines Atomkerns beobachtet?

Nachweis mit angereichertem Germanium / Widerspruch zum Standardmodell der Teilchenphysik

Von Rainer Scharf

Einen extrem seltenen Zerfall eines Atomkerns, der nach dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik gar nicht stattfinden dürfte, haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg möglicherweise nachgewiesen. Dabei handelt es sich um den sogenannten neutrinolosen doppelten Betazerfall. Die jetzt veröffentlichten Ergebnisse haben in der Fachwelt große Beachtung gefunden, zugleich aber auch Skepsis hervorgerufen.

Beim normalen Betazerfall eines instabilen Atomkerns wandelt sich ein Neutron in ein Proton um. Außerdem entstehen ein Elektron und ein Antineutrino, die beide davonfliegen. Beim neutrinolosen doppelten Betazerfall verwandeln sich gleichzeitig zwei Neutronen in zwei Protonen. Dabei entstehen zwar ebenfalls zwei Elektronen, aber keine Antineutrinos. Es scheint so, als hätten sich die beiden Antineutrinos, die bei zwei normalen Betazerfällen gleichzeitig entstehen sollten, gegenseitig vernichtet und in Energie verwandelt. Eine solche Reaktion widerspräche allerdings dem Standardmodell, demzufolge sich nur Neutrinos und Antineutrinos gegenseitig vernichten können, jedoch keine Antineutrinos untereinander.

Die Wissenschaftler um Hans Volker Klapdor-Kleingrothaus mußten bei ihren Experimenten mit äußerster Sorgfalt vorgehen, da der neutrinolose doppelte Betazerfall nur extrem selten - wenn überhaupt - auftreten sollte. Die Messungen, die man vor elf Jahren begonnen hat, werden im Gran-Sasso-Labor in der Nähe von Rom unter einem 1400 Meter mächtigen Felsmassiv ausgeführt. Das Felsgestein sowie tonnenschwere Abschirmungen aus Blei schützen die fünf Detektoren, die die seltene Art des Betazerfalls aufspüren sollen, gegen die störende kosmische Strahlung.

Im Zentrum eines jeden Detektors befindet sich ein Einkristall aus Germanium, in dem das Isotop Germanium-76 auf 86 Prozent angereichert ist. Das in der Natur vorkommende Germanium enthält nur knapp acht Prozent dieses Isotops. Für die Experimente benötigt man insgesamt 11,5 Kilogramm des überaus wertvollen, angereicherten Germaniums, die das Kurtschatow-Institut in Moskau zur Verfügung gestellt hat.

Beim doppelten Betazerfall wandelt sich Germanium-76 in Selen-76 um. Dabei entstehen Elektronenpaare bei einer charakteristischen Energie, die man mit dem Halbeiter Germanium äußerst präzise bestimmen kann. Der normale, einfache Betazerfall tritt bei Germanium-76 nicht auf, so daß er die Messungen nicht stören kann.

Die jahrelange Suche nach den Elektronenpaaren mit der richtigen Energie scheint jetzt von Erfolg gekrönt zu sein. Die Forscher glauben, daß sie aus den gewonnenen Daten tatsächlich die Spuren von neutrinolosen doppelten Betazerfällen herauslesen können. Für die Halbwertszeit des auf diese Weise zerfallenden Germanium-76 nennen die Forscher den unvorstellbar großen Wert von 1025 Jahren. Aus der Halbwertszeit wiederum läßt sich die Masse der Antineutrinos abschätzen. Denn der neutrinolose doppelte Betazerfall läuft um so häufiger ab, je schwerer die Neutrinos beziehungsweise Antineutrinos sind. Die Neutrinomasse beträgt danach 0,39 Elektronenvolt. Damit wären die ungeladenen Elementarteilchen schwer genug, als aussichtsreicher Kandidat für die Dunkle Materie im Universum in Frage zu kommen. Bei anderen Experimenten zuvor hatte man allerdings wesentlich kleinere Werte für die Neutrinomassen gefunden.

Eine internationale Gruppe von Physikern hat inzwischen bezweifelt, daß die veröffentlichten Daten die Existenz des neutrinolosen doppelten Betazerfalls eindeutig beweisen. Dessen ungeachtet laufen die Messungen im Gran-Sasso-Labor ohne Unterbrechung weiter. Dadurch verbessert sich ständig die Aussagekraft der Daten. Sollte sich tatsächlich bestätigen, daß Atomkerne auf diese ungewöhnliche Weise zerfallen können, hätte dies weitreichende Folgen für die Elementarteilchenphysik. Dann wäre unter anderem eindeutig erwiesen, daß Neutrinos und Antineutrinos eine Masse haben und zugleich Materie und Antimaterie, also Majorana-Teilchen wären. Damit wäre auch ein erster Blick auf die Physik jenseits des bisher so erfolgreichen Standardmodells geworfen. 

RAINER SCHARF
 
Frankfurter Allgemeine Zeitung, 20.02.2002, Nr. 43 / Seite N2

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