Changing identities

Swinging Neutrinos

Neutrinos sind nicht masselos, sie können sich deshalb in andere Arten umwandeln - und das gilt auch für ihre Antiteilchen.

Von Georg Wolschin

Enorme Fortschritte hat unser Verständnis für die geisterhaften Neutrinos in den letzten fünf Jahren gemacht. Anders als lange vermutet sind sie nicht masselos, sondern haben eine - wenn auch nur sehr kleine - Ruhemasse, deren Betrag jedoch erst noch bestimmt werden muss. Wichtige Folge ist, dass diese elusiven Elementarteilchen zwischen den drei bekannten Arten ("Flavors") oszillieren können: Man findet deshalb weniger Teilchen als erwartet im Detektor, sofern der nur für einen Flavor empfindlich ist. Jetzt gibt es durch Untersuchungen der japanisch-amerikanischen KamLAND Kollaboration mit Antineutrinos unerwartet deutliche Fortschritte bei den Versuchen, diese Oszillationen genau zu beschreiben.

Seit ihrer Erfindung 1930 durch Wolfgang Pauli blieben Neutrinos viele Jahre ein rein theoretisches Konstrukt - erdacht, um eine Verletzung des fundamentalen Satzes von der Erhaltung der Energie beim Beta-Zerfall zu vermeiden. Experimentell nachweisen konnte man sie erst mehr als 20 Jahre später. Dazu benutzten die Entdecker den gleichmäßigen Antineutrino-Fluss eines Kernreaktors (der hier Forschungszwecken diente) und - mit den Worten der Schwedischen Akademie der Wissenschaften - "befreiten das Neutrino aus seinem Status als Phantasiegebilde und machten es zu einem realen Teilchen".

Schon bald darauf wurde klar, dass zu den Elektron-Neutrinos der ersten Teilchenfamilie die Myon-Neutrinos in der zweiten Familie kommen. Zwar sind beide Arten ungeladen, haben nur sehr geringe Masse, und reagieren nur auf die schwache Wechselwirkung - aber dennoch lassen sie sich experimentell in ihren Eigenschaften unterscheiden. Vervollständigt wird das Neutrino-Terzett durch das Tau-Neutrino, dessen reale Existenz im Jahre 2000 experimentell bestaetigt wurde. Dazu kommen die entsprechenden Antiteilchen - bei den Anti-Elektron-Neutrinos wurden sie schließlich sogar als Erste nachgewiesen.

Nun gibt es in der Natur noch eine Reihe anderer Neutrinoquellen als Reaktoren und Teilchenbeschleuniger. Die wohl prominenteste unter ihnen ist die Sonne, in der Fusionsreaktionen von Wasserstoff zu Helium auch Elektron-Neutrinos erzeugen. Raymond Davis jr. und seine Kollegen haben sie 1968 als Erste nachgewiesen und sind dabei unerwartet auf das solare Neutrinorätsel gestoßen: der gemessene Neutrinofluss ist zwei- bis dreimal geringer als von unserem Verständnis der Fusionsprozesse auf der Sonne her erwartet. Andere Experimente bestätigten diese Ergebnisse. Das europäische Gallex-Experiment konnte darüber hinaus 1992 auch die niederenergetischen Neutrinos aus dem Hauptzweig der solaren Fusionskette messen.

Es gab zwei Erklärungsmöglichkeiten des Defizits: Unzulänglichkeiten im theoretischen Modell der Sonne - oder reduzierte Neutrinoraten, weil sich die Teilchen im Sonneninnern und auf dem 8 Minuten langen Flug zur Erde teilweise in die anderen Neutrinoarten umwandeln und so der Messung entziehen. Erst allmählich neigte sich die Waagschale zugunsten der zweiten Variante.

Den Ausschlag gaben 2002 die Ergebnisse der SNO (Sudbury Neutrino Observatory) Kollaboration: Bei Berücksichtigung aller Flavors stimmte der Messwert sehr gut mit der Voraussage des Sonnenmodells überein, während sich für Elektron-Neutrinos allein das Defizit bestätigte. Als Detektor diente ein Tank mit 1000 Tonnen schwerem Wasser in einem Bergwerkstollen in Kanada nahe Sudbury. Nur Elektron-Neutrinos können das Deuterium des schweren Wassers in zwei Protonen und ein Elektron aufspalten, während die Zerlegung in Proton und Neutron von allen drei Neutrino-Arten ausgelöst werden kann. Auf diese Weise war es möglich, direkte Hinweise auf die Oszillationen zu bekommen, und so das Rätsel höchst elegant zugunsten der teilchenphysikalischen Interpretation zu lösen.

Nächstes Ziel ist nun, das genaue Ausmaß und den Mechanismus der Neutrino-Mischung aufzuklären. Das erfordert neue Experimente, auch mit völlig anderen Methoden. Hier ist vor allem ein Rückgriff auf Reaktorneutrinos von Nutzen - mit denen ja das gesamte Gebiet der inzwischen enorm expandierten experimentellen Neutrinoforschung begonnen hatte. Dazu Andreas Piepke von der Universität Alabama, Mitglied der KamLAND- (Kamioka Liquid Scintillator Anti-Neutrino Detector-) Kollaboration: "Reaktoren sind bestens verstandene Antineutrino-Quellen" - sie ermöglichen deshalb Experimente unter kontrollierbaren Bedingungen. Alle bisherigen Reaktorexperimente waren jedoch in vergleichsweise geringen Entfernungen bis zu einem Kilometer durchgeführt worden - und hatten keine Hinweise auf Oszillationen ergeben.

Vor kurzem hat jedoch die japanisch-amerikanische KamLAND- Kollaboration bei einem neuen Experiment mit wesentlich größerem Abstand von den Reaktoren auf Anhieb Erfolg gehabt - sowohl im Hinblick auf den Nachweis von Oszillationen bei Anti-Elektron-Neutrinos, als auch in bezug auf die Bestimmung der Oszillationsparameter. Dazu haben sich eine japanische Gruppe von der Tohuku-Universität, eine chinesische Gruppe und zehn amerikanische Universitäts-Gruppen zusammengetan. Für das Experiment hatten sie einige mögliche Standorte an der amerikanischen Westküste, in Europa und in Japan geprüft. Schließlich entschied man sich für die japanische Kamioka-Mine, die auch den berühmten Super-Kamiokande Detektor beherbergt. Mit ihm waren 1998 erstmals Oszillationen atmosphärischer Neutrinos nachgewiesen worden. Die Mine ist ungefähr 180 Kilometer von den meisten Reaktoren entfernt. Etwa 79 Prozent des Anti-Neutrinoflusses entstehen in 26 Reaktoren, die zwischen 138 und 214 Kilometern entfernt sind.

Der kugelförmige Detektor (Bild 1) in 2700 Metern Tiefe wurde mit 1000 Tonnen eines flüssigen Szintillators gefüllt. Die dicke Felsschicht fängt von der kosmischen Strahlung erzeugte störende Myonen sehr weitgehend ab: Nur noch 0,34 Myonen pro Sekunde kommen im Detektor an. Die Reaktor-Antineutrinos durchdringen dagegen mühelos den Fels.

In einer 145 Tage dauernden Messkampagne vom 4. März bis 6. Oktober 2002 gelang es KamLAND erstmals, Oszillationen bei Antineutrinos nachzuweisen. Es wurden 54 Antineutrinos gemessen, im Durchschnitt alle 2,7 Tage ein Ereignis; das ist ein klares Defizit, denn erwartet wurden ohne Oszillationen 87. Bild 2 zeigt das Verhältnis von gemessenem zu erwartetem Neutrinofluss bei den bisherigen Experimenten mit Antineutrinos: Nur bei KamLAND gibt es bisher ein Defizit.

Nun ist es naheliegend, mit diesem Ergebnis für Anti-Elektronneutrinos unter Laborbedingungen Schlüsse über das Oszillationsverhalten der Elektron- Sonnenneutrinos zu ziehen, die sich überwiegend in Myon-Neutrinos umwandeln. Dazu muss man annehmen, dass die sogenannte CPT-Invarianz gilt: Das Ergebnis eines Experiments bleibt unverändert, wenn man die Anordnung räumlich spiegelt (P), den Zeitablauf umkehrt (T) und Teilchen durch Antiteilchen ersetzt (C). Für ein solches Verhalten liefern Quantenfeldtheorien gute theoretische Gründe, und es wird bisher von allen teilchenphysikalischen Experimenten bestätigt, so dass es voraussichtlich auch bei Neutrinos gilt. Hier bedeutet es, dass sich Elektron-Neutrinos mit gleicher Wahrscheinlichkeit in Myon-Neutrinos umwandeln, wie Anti-Myonneutrinos in Anti-Elektronneutrinos. Auf diese Weise werden die Ergebnisse für Sonnenneutrinos mit denen von KamLAND direkt vergleichbar.

Die jetzt gefundene starke Verringerung des Anti-Neutrinoflusses bedeutet, dass bestimmte Kombinationen von Mischungswinkel und Differenz der Massenquadrate, die von den Messungen der Sonnenneutrinos her noch möglich schienen, nun nicht mehr zulässig sind. Der Winkel beschreibt dabei das Ausmaß der Mischung von quantenmechanischen Masse-Eigenzuständen der Neutrinos. Damit ist das Sonnenneutrino-Problem ganz offensichtlich gelöst: Es bleibt allein die "LMA-"Lösung mit grossem Mischungswinkel und einer Differenz der Massenquadrate von 5,5x10^-5 Elektronenvolt zum Quadrat (Bild 3).

Weitere, noch präzisere Messungen werden die Werte in Zukunft verbessern. Sie werden jedoch aus prinzipiellen Gründen keine Antwort auf die Frage geben, welchen Wert die Neutrinomasse - speziell die Anti-Elektron-Neutrinomasse - hat: Die Experimente testen lediglich die Differenz von Massenquadraten. Aufgrund der Oszillationsexperimente steht aber fest, dass die Masse von Null verschieden ist, und deshalb lohnt sich der hohe Aufwand, Versuche zu konzipieren, mit denen sie direkt messbar ist. Das sind insbesondere neue Untersuchungen des radioaktiven Zerfalls von Tritium, dem schwersten Wasserstoff-Isotop: Mit dem Experiment KATRIN wird es möglich sein, bis in den Sub-Elektronenvolt Bereich vorzustoßen.Ob das für die Massenmessung ausreicht, wird sich erst noch zeigen müssen. Bis dahin begnügen wir uns mit dem Wissen, dass die Masse kleiner als 2,2 Elektronenvolt ist.

Bild 1: Teilchen wechseln ihre Identität: Mit dem KamLAND Detektor in einem japanischen Bergwerk 2700 Meter unter der Erde sind erstmals Oszillationen von Antineutrinos nachgewiesen worden. Sie wurden in etwa 30 Reaktoren erzeugt, die im Durchschnitt 180 Kilometer entfernt sind. Das Ergebnis bestätigt, dass Neutrinos eine von Null verschiedene Ruhemasse haben, und ermöglicht es, die Oszillationsparameter genau zu bestimmen.

Bildnachweis: K.Eguchi et al., PRL 90, 021802 (2003), Fig.1, und KamLAND-Website (Farbbild von der Website) KamLAND-Kollaboration

Bild 2: Verhältnis des gemessenen zum theoretisch vorhergesagten Anti- Neutrinoflusses aus Reaktorexperimenten als Funktion des Abstandes von der jeweiligen Quelle. Eine deutliche Absenkung als Folge von Neutrinooszillationen wurde bisher nur beim KamLAND-Experiment beobachtet.

Bildnachweis: K.Eguchi et al., PRL 90, 021802 (2003), Fig.4, und KamLAND-Website

Bild 3: Oszillationsparameter, wie sie im KamLAND-Experiment bestimmt worden sind: Differenz der Massenquadrate und sinus^2 des doppelten Mischungswinkels. Auch für die Oszillationen von Sonnenneutrinos muss die "Large Mixing Angle (LMA)" Lösung gelten.

Bildnachweis: K.Eguchi et al., PRL 90, 021802 (2003), Fig.6, und KamLAND-Website

Sonnenneutrinos im Internet:

Gallex-Kollaboration

Superkamiokande-Kollaboration

SNO-Kollaboration

Antineutrinos

K.Eguchi et al., Physical Review Letters 90, 021802 (2003)

im Internet:

KamLAND-Kollaboration

Neutrinoarten: Entsprechend den drei uns bekannten Teilchenfamilien unterscheidet man Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Durch Flavor-Oszillationen können sie ineinander übergehen.

Anti-Elektron-Neutrinos: Die Antiteilchen der Elektron-Neutrinos werden im radioaktiven Beta-Zerfall ausgesandt.

Katrin-Experiment zur Messung der Neutrinomasse im Tritium-Betazerfall:

Katrin

Sonnenneutrino-Defizit: Die Rate der auf der Erde nachgewiesenen Elektron-Neutrinos ist als Folge der Oszillationen geringer als vom Sonnenmodell vorhergesagt.

Siehe Bild d. Wissenschaft 07 (2003) für den redigierten und illustrierten Artikel.

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