Auf der Suche nach dem 'sterilen' Neutrino

MicroBooNE

In wenigen Monaten startet am Fermilab bei Chicago (USA) ein aufsehenerregendes Experiment, mit dem Physiker abklären wollen, ob neben den drei bekannten Typen von Neutrinos ein vierter Typ besteht. Bemerkenswert an diesem Experiment ist auch die personelle Zusammensetzung der Kollaboration: Die rund 120 beteiligten Forscherinnen und Forscher stammen vorwiegend aus den USA, aber die wissenschaftliche Leitung des Experiments obliegt aber einem Schweizer, nämlich dem Berner Physikprofessor Michele Weber.

teaser 'auf der Suche nach dem 'sterilen' Neutrino

Eigentlich ist das Semester an der Universität Bern noch im Gange, Michele Weber hat allerdings seine Vorlesungen vorgezogen und seine Unterrichtsverpflichtung damit schon vorzeitig abgeschlossen. Grund dafür ist ein wichtiger Forschungsauftrag in den USA, konkret am Fermilab, dem renommierten Teilchenphysik-Institut bei Chicago. So hat Michele Weber im Frühjahr seine Koffer gepackt, um in den USA ein neues Neutrino-Experiment unter dem geheimnisvollen Namen 'MicroBooNE' zum Laufen zu bringen.

„Wir befinden uns gerade in der Aufbauphase des Experiments“, berichtet Weber in einem Telefongespräch quer über den Atlantik, „im Sommer oder spätestens im Herbst wollen wir das Experiment in Betrieb nehmen und die ersten physikalischen Resultate liefern.“ Weber ist für den Zeitplan, den er am Telefon skizziert, selber mit verantwortlich, denn er hat die wissenschaftliche Leitung des Experiments. Das ist insofern bemerkenswert, als die am Experiment beteiligten Physikerinnen und Physiker vorwiegend aus den USA stammen. Nur eine Minderheit stammt hingegen aus Grossbritannien, Italien und von der Universität Bern, wo Weber als Physikprofessor wirkt.

Berner Expertise

Dass Weber diese wissenschaftliche Leitungsaufgabe übertragen wurde, wirkt nur im ersten Moment überraschend. Bern hat in der Erforschung der Neutrinos nämlich seit längerem einen Schwerpunkt. Weber ist damit für die Aufgabe des 'physics coordinators', wie seine Aufgabe auf Englisch heisst, bestens gerüstet. Das 'Albert Einstein Center for Fundamental Physics' (AEC) der Universität Bern konnte zudem einen zweiten Trumpf ausspielen: Das AEC verfügt über grosse Erfahrung in der Detektortechnologie, die auf dem Edelgas Argon beruht. Genau diese Technologie kommt beim neuen Neutrino-Experiment am Fermilab zum Einsatz. Da greift man gern auf die Expertise eines Berner Professors zurück.

MicroBooNE besteht aus einem zylinderförmigen Tank von zehn Metern Länge und 3,5 m Durchmesser. „Der Tank muss so gross sein, weil man sonst nur geringe Chancen hat, die seltenen Wechselwirkungen der Neutrinos mit anderen Materieteilchen zu beobachten“, sagt Weber. Der Tank ist mit flüssigem, auf -200 °C runtergekühltem Argon gefüllt. Das Edelgas ist für die Erforschung der Neutrinos bestens geeignet, weil es erstens keine Ladungen bindet (was wichtig ist, weil die Neutrino-Wechselwirkungen anhand von Ladungsspuren nachgewiesen werden), zweitens schwer ist (was Wechselwirkungen mit den 'scheuen' Neutrinos begünstigt) und drittens problemlos beschafft werden kann (das häufigste Edelgas in der Erdatmosphäre).

'Hot topic' der Teilchenphysik

Die Erforschung der Neutrinos gehört zu den 'hot topics' der aktuellen Teilchenphysik. Rund ein halbes Dutzend Experimente weltweit widmet sich den noch immer rätselhaften Elementarteilchen. Wie rätselhaft diese Partikel noch immer sind, zeigt sich allein daran, dass sie gemäss dem Standardmodell der Physik – also dem aktuell gültigen Theoriemodell – eigentlich keine Masse haben dürften. Genau dies trifft allerdings nicht zu, wie Physiker unterdessen wissen. Michele Weber: „Wir wissen heute, dass vom Neutrino drei Typen bestehen, die sich gewissermassen vermischen. Die Tatsache dieser Vermischung bedeutet, dass sie eine Masse haben.“

Die Vermischung geschieht über sogenannte Oszillationen. Und hier ist denn auch ein zentraler Anknüpfungspunkt des MicroBooNE-Experiments: dieses untersucht die Oszillationen nicht über lange Distanzen von mehreren 100 Kilometern wie beispielsweise das OPERA-Experiment in Gran Sasso (Italien), sondern über kurze Distanzen von einigen Hundert Metern. Am Fermilab steht die Neutrino-Quelle denn auch nur 500 Meter vom Detektor entfernt. Die Forscher erhoffen sich dank dieses Experiments Aufschluss über das Wesen der Neutrinos. Insbesondere wollen sie herausfinden, ob neben den drei bekannten Typen – Tau-Neutrino, Myon-Neutrino, Elektron-Neutrino – noch ein vierter Typ besteht. Diesen mutmasslichen vierten Typ bezeichnen die Forscher als 'steriles Neutrino'. „Der Begriff 'steril' rührt daher, dass dieser vierte Typ nicht wechselwirkt wie die drei bekannten Typen“, erklärt Weber.

Ergebnisse in drei Jahren

Ob Weber und sein Forscherteam mit dem 'sterilen Neutrino' ein neues Elementarteilchen entdecken, wird sich frühestens in drei Jahren herausstellen. „Erst dann werden wir genug Ereignisse für eine statistisch relevante Aussage haben“, sagt der Neutrino-Spezialist aus Bern. Bis es soweit ist, muss sich der Detektor erst noch bewähren. Dazu wird es eine Reihe von Messungen von Neutrino Wechselwirkungen geben, die wichtige Daten zur Kernphysik liefern und auch für zukünftige Projekte als Grundlage dienen. Zu der Grossanlage gehört auch ein an der Universität Bern entwickeltes Lasersystem, das insbesondere dazu dient, den Detektor zu kalibrieren. Diese Arbeiten werden nicht nur von Michele Weber begleitet, sondern auch von einem ganzen Team der Universität Bern einschliesslich Prof. Antonio Ereditato und PD Dr. Igor Kreslo sowie drei Nachwuchsforscher. Für die drei Letztgenannten ist das MicroBooNE-Experiment in den USA der Ort, an dem sie mit der Doktorarbeit ihre wissenschaftliche Meisterprüfung ablegen.

Benedikt Vogel (veröffentlicht 22. 5. 2014)

  • MicroBooNE-Tank in der Aufbauphase: Der Tank ist auf der Seite geöffnet und der Teilchen-Detektor wird eingebaut. Da auch lichtempfindliche Detektoren eingebaut sind ist im Bild die Öffnung durch ein Tuch zugedeckt.
  • Fermilab Gelaende mit der “Wilson Hall” im Hintergrund. Die Wilson Hall ist das höchste Gebäude der Umgebung und nach dem ersten Direktor des Fermilabs genannt. Dieser hat das Gebauede-Form auch selber gezeichnet.
  • MicroBooNE-Tank in der Aufbauphase: Der Tank ist auf der Seite geöffnet und der Teilchen-Detektor wird eingebaut. Da auch lichtempfindliche Detektoren eingebaut sind ist im Bild die Öffnung durch ein Tuch zugedeckt.1/2
  • Fermilab Gelaende mit der “Wilson Hall” im Hintergrund. Die Wilson Hall ist das höchste Gebäude der Umgebung und nach dem ersten Direktor des Fermilabs genannt. Dieser hat das Gebauede-Form auch selber gezeichnet.2/2

Categories

  • Elementary particles
  • Particle Physics