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Suche nach Majorana-Teilchen : Die perfekte Null-Messung

Blick ins Herz des Gerda-Experiments: Im Zentrum des verspiegelten Wassertanks befindet sich der Kryostat mit den Germanium-Proben. Bild: K. Freund, Gerda-Kollaboration

Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen? Seit vielen Jahren versuchen Forscher diese Frage zu beantworten. Jetzt hat das empfindliche Untergrundexperiment Gerda neue Ergebnisse geliefert.

          2 Min.

          Seit Jahrzehnten spukt eine von Ettore Majorana in den dreißiger Jahren formulierte These in den Köpfen vieler Physiker. Der geniale italienische Theoretiker, der 1938 durch bislang ungeklärte Umstände plötzlich verschwand, glaubte fest an die Existenz von Elementarteilchen, die zugleich ihre Antiteilchen sind. Gefunden hat man Majorana-Teilchen bislang aber nicht.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Zwar existiert zu jedem bekannten Baustein der Materie ein Antiteilchen. Teilchen und Antiteilchen sind aber nicht identisch, sondern unterscheiden sich wie im Fall von Elektron und Positron durch das Vorzeichen der elektrischen Ladung.

          Die Germanium-76-Proben werden in einer Handschuhbox präpariert.
          Die Germanium-76-Proben werden in einer Handschuhbox präpariert. : Bild: B. Schwingenheuer, Gerda-Kollaboration

          Sieht man von exotischen Zuständen in kalten Festkörpern ab, so ist das Neutrino das einzige bekannte Elementarteilchen, dem man bislang zutraut, ein Majorana-Teilchen zu sein. Denn diese Geisterteilchen, die beim radioaktiven Beta-Zerfall oder bei Kernreaktionen in der Sonne entstehen, sind elektrisch ungeladen und besitzen – wie man seit kurzem weiß – eine Masse. Neutrinos mit einer Masse sind im Standardmodell der Teilchenphysik allerdings nicht vorgesehen. Ein Ausweg wäre, wenn Neutrinos sich wie Majorana-Teilchen verhielten.

          Viele Experimente waren vergeblich

          Würde das Neutrino tatsächlich auch sein Antiteilchen sein, hätte das gravierende Auswirkungen: Zum einen könnte man damit erklären, warum sich im Universum kurz nach dem Urknall Materie und Antimaterie nicht gegenseitig vollständig ausgelöscht haben, wie man gemäß des Standardmodells der Teilchenphysik erwarten würde. Zudem bekämen jene Wissenschaftler, die an der Erweiterung des Standardmodells arbeiten, neue Hinweise auf die mögliche Natur einer neuen Theorie.

          Blick von oben in den Kryostaten des Gerda-Experiments. Zu sehen ist die mechanische Aufhängung mit den Germanium-Detektoren.
          Blick von oben in den Kryostaten des Gerda-Experiments. Zu sehen ist die mechanische Aufhängung mit den Germanium-Detektoren. : Bild: V. Wagner, Gerda-Kollaboration

          Seit vielen Jahren versucht man mit immer raffinierteren Experimenten, den Neutrinos die seltsame Eigenschaft zu entlocken – vergeblich, bis auf eine Ausnahme. Im Jahr 2002 vermeldete eine deutsch-russische Forschergruppe, sie habe Indizien für einen extrem seltenen Kernzerfall – den neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall – beobachtet, der nur möglich ist, wenn Neutrino und Antineutrino identisch sind. Bei diesem radioaktiven Prozess wandeln sich gleichzeitig zwei Neutronen in zwei Protonen um, wobei zwei Elektronen, aber keine Antineutrinos entstehen. Es scheint, als hätten sich die beiden Antineutrinos gegenseitig vernichtet – was nur der Fall wäre, wenn Neutrinos Majorana-Teilchen sind.

          Forscher wurden nicht fündig

          Der positive Befund, der beim Zerfall des radioaktiven Isotops Germanium-76 in Selen-76 aufgetreten sein soll, erregte großes Aufsehen, stieß wegen der geringen statistischen Signifikanz aber auf deutliche Skepsis.

          Mit dem Ziel, hier endlich Klarheit zu schaffen, ist vor sechs Jahren das Experiment Gerda (Germanium Detector Array) angetreten, das in einem Labor tief unter dem Gran-Sasso-Massiv in den Abruzzen untergebracht ist. Die aus rund hundert Wissenschaftlern bestehende internationale Forschergruppe hat ebenfalls den radioaktiven Zerfall von Germanium-76 untersucht. Allerdings mit einer deutlich höheren Empfindlichkeit. Rund 36 Kilogramm des hochreinen Germanium-Isotops werden bei Gerda in einem mit flüssigem Argon gefüllten Behälter auf minus 180 Grad gekühlt. Der Kryostat befindet sich in einem mit hochreinem Wasser gefüllten Behälter.

          Trotz höchster Sorgfalt bei den Messungen und unter Vermeidung jeglicher Störsignale – verursacht von kosmischen Teilchen und natürlicher Radioaktivität – wurde man nicht fündig.Daraus schließen die an Gerda beteiligten Forscher – darunter Wissenschaftler aus München, Heidelberg, Tübingen, Dresden –, dass der exotische Kernzerfall, wenn er überhaupt existiert, zumindest eine Halbwertszeit von mindestens 2·10²⁵ Jahren haben muss. Zum Vergleich: Das Universum ist 13,8 Milliarden (10⁹ ) Jahre alt. Dennoch soll die Suche nach dem exotischen Beta-Zerfall fortgeführt werden.

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