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Neutrinos : Chamäleon auf Reisen

Im Inneren des japanischen Neutrino-Observatoriums Super-Kamiokande Bild: Super-Kamiokande

Neutrinos sind nicht nur äußerst flüchtige Elementarteilchen sondern auch perfekte Verwandlungskünstler. Auf ihrem Flug über weite Strecken hinweg wechseln sie ihre Identiät - ein Vorgang, den man nun erstmals mit Observatorien in Japan und in Amerika direkt beobachtet hat.

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          Dass Neutrinos chamäleonartige Elementarteilchen sind, die während ihres Flugs ihre Identität wechseln können, ist jetzt durch weitere Experimente untermauert worden. Jüngste Messungen mit dem Neutrino-Observatorium Super-Kamiokande in der Nähe der japanischen Stadt Kamioka und mit dem Minos-Detektor in Minnesota zeigen, dass sich Myon-Neutrinos auf ihrem Flug offenkundig in Elektronen-Neutrinos umwandeln können - ein Vorgang, den man nun erstmals direkt beobachtet hat. Bislang hatte man lediglich erkannt, dass Myon-Neutrinos verschwinden, aber nicht, dass sie wieder mit einem anderen Antlitz auftauchen.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die drei Gesichter

          Teilchenphysiker kennen heute drei Sorten von Neutrinos: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Lange Zeit glaubte man, die ungeladenen und äußerst flüchtigen Elementarteilchen seien masselos. Ende der neunziger Jahre haben Forscher mit dem Super-Kamiokande-Detektor und wenige Jahre später mit dem kanadischen Sudbury-Neutrino-Observatorium in Ontario nachgewiesen, dass sich Myon- beziehungsweise Elektron-Neutrinos auf dem Weg zur Erde in andere Neutrinotypen umwandeln können.

          Da man für die beiden Experimente die Höhenstrahlung und die Sonne als Teilchenquelle genutzt hat, sind die experimentellen Daten aber mit einer gewissen Unsicherheit behaftet. Diese Schwierigkeit lässt sich mit Neutrinos umgehen, die man kontrolliert mit Kernreaktoren oder Teilchenbeschleunigern erzeugt und mit einem Neutrino-Detektor registriert.

          Sechs echte Japan-Ereignisse

          Auf diese Weise versucht man seit Januar 2010 in Japan Oszillationen von Myon-Neutrinos nachzuweisen, die mit dem 295 Kilometer entfernten Teilchenbeschleuniger J-Park in Tokai erzeugt werden. Die ersten Ergebnisse stimmen hoffnungsvoll: Bisher hat man insgesamt 88 aus Tokai stammende Neutrino-Ereignisse registriert. Sechs davon sind als Elektron-Neutrinos identifiziert worden. Die Forscher glauben, dass es sich um Elektron-Neutrinos handelt, in die sich Myon-Neutrinos aus Tokai verwandelt haben, berichten sie in einer der kommenden Ausgaben der Zeitschrift "Physical Review Letters". Ohne den Oszillationseffekt zu berücksichtigen, hätte man infolge von Hintergrundrauschen und Messfehlern nur 1,5 Ereignisse registrieren dürfen.

          Allerdings sind die Forscher gegenüber ihrem Befund noch vorsichtig, haben sie doch erst zwei Prozent der geplanten Daten erhoben. Die Messungen mussten aufgrund des Erdbebens am 11. März abgebrochen werden, sollen aber im Dezember fortgesetzt werden. Dann will man auch überprüfen, ob sich die Antiteilchen der Myon-Neutrinos ebenfalls im Flug umwandeln.

          Bestätigung vom Fermilab

          Auch an anderen Orten der Welt werden künstlich erzeugte Neutrinos untersucht, etwa am amerikanischen Forschungszentrum Fermilab in Batavia bei Chigago (Illinois). Dort werden Myon-Neutrinos mit einem Teilchenbeschleuniger erzeugt und zum 735 Kilometer entfernt gelegenen Minos-Detektor (“Main Injector Neutrino Oscillation Research“) in Soudan/Minnesota geschickt. Dort hat man nun ebenfalls direkt beobachten können, dass sich Myon-Neutrinos auf ihrem Flug in Elektron-Neutrinos umwandeln können. Die Forscher haben insgesamt 62 Elektron-Neutrinos gemessen. Ohne Neutrino-Oszillationen hätten es nur 49 Ereignisse sei dürfen. Der gemessene Überschuss kommt nach Aussagen der Forscher dem theoretischen Wert recht nahe. Dass ihre Messergebnisse konsistent mit den Befunden aus Japan sindm werten die Wissenschaftler als großen Erfolg, beim Bemühen den flüchtigen Geisterteilchen die letzten Geheimnisse zu entlocken.

          Ein wackliger Hinweis aus Italien

          Ein allererster Hinweis auf Neutrino-Oszillationen kam vor einem Jahr von Forschern des „Opera“-Detektors, der im Gran-Sasso-Labor in den italienischen Abruzzen untergracht ist. Dort hatten Physiker erstmals direkt beobachtet, dass sich ein Myon-Neutrino in ein Tauon-Neutrino wandelt. Allerdings kann man bislang nur mit einem Ereignis aufwarten, zu wenig um von einem stichfesten Befund zu sprechen. Die Myon-Neutrinos werden im 730 Kilometer entfernten europäischen Forschungszentrum Cern bei Genf erzeugt.

          Wo ist die Antimaterie?

          Wenn die Messungen weiter so erfolgreich sind wie bisher, wissen die Physiker eines defintiv: Neutrinos haben eine Masse, denn ohne diese Eigenschaft könnten sie ihr Antlitz nicht ändern. Das Standardmodell der Teilchenphysik sieht indes nicht vor, das Neutrino eine Masse haben. Die experimentellen Befunde aus Japan, Amerika und Genf widersprechen also den gänigen theoretischen Modellen und rüttelten so am Weltbild der Physik. Andererseits könnte die Neutrino-Oszillation ein Frage lösen, die immer noch nicht beantwortet ist. Warum besteht unsere Welt vornehmlich aus Materie, und wo ist die Antimaterie geblieben. Möglicherweise haben die Neutrinos einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung des Universums genommen. Indes ist noch nicht klar, wie schwer Neutrinos tatsächlich sind.

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