Hintergrund 

Physik jenseits des Standardmodells der Elementarteilchen

Umwandlung der solaren Elektron-Neutrinos / Indiz für Masse / Erklärung für den Materie-Überschuß im frühen Kosmos?

Von Rainer Scharf

Von allen bekannten Elementarteilchen sind die Neutrinos die flüchtigsten und rätselhaftesten. Diese elektrisch neutralen Partikeln, die zum Beispiel bei der Kernverschmelzung im Zentrum der Sonne entstehen, treten mit anderen Teilchen nur äußerst schwach in Wechselwirkung. So können die von der Sonne kommenden Neutrinos die Erde durchdringen, ohne auf merklichen Widerstand zu treffen. Deshalb ist es auch so schwer, Neutrinos zu beobachten und ihre Eigenschaften zu untersuchen. Die Physiker bemühen sich seit einigen Jahren, den Neutrinos mit zahlreichen aufwendigen Detektoren ihre Geheimnisse zu entreißen. Auf der Konferenz "Neutrino 2002" in München haben in der vergangenen Woche mehr als 500 Forscher über aufsehenerregende neue Ergebnisse und die Zukunft der Neutrinoforschung diskutiert.

Das seit langem bestehende Rätsel der fehlenden Sonnenneutrinos konnte kürzlich gelöst werden, wie Aksel Hallin vom Sudbury Neutrino Observatory in Ontario/Kanada berichtete (siehe auch F.A.Z. vom 23. April 2002). Neutrinos kommen in drei verschiedenen Arten vor. Im Zentrum der Sonne entstehen bei der Kernfusion ausschließlich die sogenannten Elektron-Neutrinos. Die beiden anderen Neutrinoarten, das Myon- und das Tau-Neutrino, dürften eigentlich in der Sonne nicht auftreten. Frühere Messungen hatten ergeben, daß auf der Erde nur etwa halb so viele Elektron-Neutrinos ankommen, wie vom anerkannten Sonnenmodell vorhergesagt. Die Ergebnisse von Sudbury zeigen nun, daß die "fehlenden" Neutrinos - wie viele Forscher bereits vermutet hatten - als Myon- oder Tau-Neutrinos zur Erde gelangen. Die Vorhersagen des Sonnenmodells sind demnach völlig richtig - doch die Hälfte der in der Sonne entstehenden Elektron-Neutrinos wandelt sich um, ehe sie die Erde erreicht hat.

Die Umwandlung von einer Neutrinoart in eine andere ist ein Indiz dafür, daß die Neutrinos eine Masse haben wie andere Elementarteilchen auch. Dem bisher so erfolgreichen Standardmodell der Elementarteilchenphysik zufolge dürften die Neutrinos keine Masse besitzen und sich auch nicht ineinander umwandeln können. Bisher konnte man nur die Differenz zwischen den Massen des Elektron-Neutrinos und der anderen Neutrinoarten messen. Dieser Unterschied ist äußerst gering. Er beträgt nur etwa ein Fünfzigmillionstel der Masse eines Elektrons. Derzeit werden verschiedene Versuche aufgebaut, mit denen sich die Masse des Elektron-Neutrinos auch direkt bestimmen läßt. Mit dem Karlsruher Neutrinoexperiment "Katrin" will man die beim Betazerfall von Tritium freiwerdende Energie möglichst genau messen. So hofft man herauszufinden, wieviel Energie für die Masse der dabei entstehenden Neutrinos aufgewendet werden muß.

Vieles deutet darauf hin, daß sich die Elektron-Neutrinos schon im Innern der Sonne umwandeln und nicht erst auf dem Weg von der Sonne zur Erde. Die Zahl der auf der Erde ankommenden Elektron-Neutrinos ändert sich nämlich im Verlauf eines Jahres kaum, obwohl die Länge des Wegs, den die Neutrinos von der Sonne zur Erde zurücklegen müssen, um drei Prozent variiert. In der Sonne werden die Elektron-Neutrinos durch Zusammenstöße mit Elektronen abgebremst. Dabei vergrößert sich ihre Masse, und es fällt ihnen leichter, sich in eine der beiden schwereren Neutrinoarten umzuwandeln.

Auch beim Durchgang durch die Erde können sich Neutrinos umwandeln, wie man mit dem japanischen Detektor Superkamiokande beobachtet hat. Die dort aufgefangenen Neutrinos stammten aus der Erdatmosphäre. Sie entstanden beim Einschlag kosmischer Strahlung und hatten eine wesentlich höhere Energie als die von der Sonne kommenden Neutrinos. Da man mit Superkamiokande die Bewegungsrichtung der ankommenden Neutrinos bestimmen konnte, ließ sich unterscheiden, ob ein Teilchen direkt von oben aus der Atmosphäre kam oder ob es die Erde durchquert hatte. Während gleich viele Elektron-Neutrinos von unten und von oben kamen, erreichten deutlich weniger Myon-Neutrinos den Detektor von unten als von oben. Ein Teil der Myon-Neutrinos hatte sich demnach beim Durchgang durch die Erde in Tau-Neutrinos umgewandelt, wie Masato Shiozawa von der Universität von Tokio berichtete. Die von den japanischen Forschern angegebene Massendifferenz zwischen den atmosphärischen Myon- und Tau-Neutrinos ist etwa zehnmal so groß wie der Massenunterschied, den man in Sudbury zwischen den solaren Elektron- und Myon-Neutrinos gemessen hat. Seit einem Unfall im November 2001, bei dem Superkamiokande schwer beschädigt worden war, ruhen die Experimente. Man hofft, den Detektor mit eingeschränkter Empfindlichkeit schon im Oktober wieder benutzen zu können. Seine volle Leistungsfähigkeit wird er aber erst in drei bis vier Jahren wiedererlangen.

Inzwischen hat man in derselben stillgelegten Mine, in der auch Superkamiokande untergebracht ist, einen weiteren Neutrinodetektor ("Kamland") in Betrieb genommen. Mit ihm will man die Umwandlung der Neutrinos noch präziser untersuchen. Dazu soll der Detektor Antineutrinos auffangen, die Antiteilchen der Neutrinos, von denen es ebenfalls drei Arten gibt. Diese Partikeln werden in großer Zahl von den kommerziellen Kernreaktoren abgestrahlt, die sich in einem Umkreis von einigen hundert Kilometern um den Detektor befinden. Außerdem wird Kamland auch solche Antineutrinos auffangen, die beim Betazerfall von Uran und Thorium in der Erde entstehen. Daraus wird man wichtige Informationen über die Erdkruste und den Erdmantel gewinnen.

In Europa, Japan und den Vereinigten Staaten bereitet man außerdem Experimente mit äußerst intensiven, künstlich erzeugten Neutrinostrahlen vor, die auf einen weit entfernten Detektor gerichtet werden. So will man mit dem Detektor möglichst viele Neutrinos nachweisen, die sich unterwegs umgewandelt haben. Um die Neutrinos zu erzeugen, bringt man mit einem Teilchenbeschleuniger Protonen auf hohe Geschwindigkeiten und läßt sie mit einem "Target" kollidieren. Beim Minos-Experiment, das Ende 2004 beginnen soll, werden die Neutrinos am Fermilab in Illinois erzeugt und durch die Erde zu einem 700 Kilometer entfernten Detektor gestrahlt, der sich in der stillgelegten Soudan-Mine in Minnesota befindet. Für das Opera-Experiment wird der Neutrinostrahl vom Cern produziert und dann von Genf zum 732 Kilometer entfernten unterirdischen Gran-Sasso-Labor nordöstlich von Rom geschickt. Die finanziellen Schwierigkeiten beim Bau des neuen großen Teilchenbeschleunigers werden den für 2005 geplanten Beginn des Opera-Experiments aber voraussichtlich verzögern.

Die geradezu unüberschaubare Fülle von laufenden oder geplanten Experimenten mit Neutrinos unterstreicht die Vielseitigkeit und die Bedeutung dieser Elementarteilchen. Die Umwandlung der Neutrinos ineinander erlaubt einen ersten Blick auf die Physik jenseits des Standardmodells der Elementarteilchen. Aufgrund ihrer Masse könnten die Neutrinos auch eine wichtige Rolle bei der Strukturbildung im frühen Kosmos gespielt haben. Geringe Unterschiede in den Eigenschaften der Neutrinos und Antineutrinos wiederum erklären vielleicht, warum das Universum viel mehr Materie als Antimaterie enthält. In den so exotisch erscheinenden Neutrinos könnte der Schlüssel zu einem neuen physikalischen Weltbild liegen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 05.06.2002, Nr. 127 / Seite N2

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