Neutrino

Die wundersame Verwandlung

Jetzt ist es so gut wie sicher: Myon-Neutrinos können sich in Tau-Neutrinos verwandeln. Das haben Wissenschaftler des OPERA-Experiments in Gran Sasso (Italien) – darunter Physiker der Universität Bern – mit bisher ungekannter Genauigkeit nachgewiesen. Dieses Ergebnis gaben die Forscher heute anlässlich eines Seminars in Gran Sasso bekannt.

Prof. Antonio Ereditato

Neutrinos sind Elementarteilchen mit einer sehr geringen Masse, die keine elektrische Ladung tragen – daher der Name 'Neutrino', der auf Italienisch soviel bedeutet wie 'kleines Neutron'. Neutrinos wechselwirken nur schwach mit anderen Teilchen, deshalb ist es für sie ein Leichtes, die Erdkugel zu durchqueren, ohne dabei beobachtet zu werden. Für Physiker hat dies den Nachteil, dass es für sie sehr schwierig ist, Neutrinos aufzuspüren und mehr über ihr Wesen zu erfahren.

Quantenmechanischer Mechanismus

Von Neutrinos existieren drei Arten (engl. flavours): Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Dabei könne sich Neutrinos von einer Art in eine andere verwandeln. „Diese Transformation der einen Art in eine andere ist ein quantenmechanischer Mechanismus“, sagt Prof. Antonio Ereditato von der Universität Bern, einer der weltweit führenden Neutrino-Experten. „Sie können sich diese Transformation vorstellen als die Verwandlung eines weissen Lichtkegels, der aus verschiedenen Teilfarben zusammengesetzt ist: Verwandelt sich eine Teilfarbe, dann verändert sich auch die Gesamtfarbe des Kegels“, so Ereditato.

Die Transformation eines Myon- in ein Tau-Neutrinos ist eine derartige Verwandlung. Die Transformation hat den Charakter einer Oszillation. Das bedeutet, dass sich ein Myon-Neutrino im Lauf eines Zeitintervalls in ein Tau-Neutrino und dann wieder in ein Myon-Neutrino verwandelt (und so weiter). Eine solche Verwandlung können Physiker nur beobachten, wenn das Myon-Neutrino auf seiner Reise genug lange unterwegs ist, zum Beispiel die 730 Kilometer von Genf nach Gran Sasso in die italienischen Abruzzen. Dieser Weg ist gerade genug lang, dass sich die erste Oszillation (also jene von Myon zu Tau) beobachten lässt.

Das vierte Tau-Neutrino von OPERA beobachtet

Um diese theoretisch vorausgesagte Verwandlung tatsächlich beobachten zu können, hat Prof. Ereditato zusammen mit zwei Kollegen in den 1990er Jahren den Aufbau des OPERA-Experiments angeregt. Dieses Experiment besteht aus einem unterirdischen Detektor in Gran Sasso, der die am CERN bei Genf produzierten Myon-Neutrinos beobachten kann, nachdem sie sich auf dem Weg von Genf nach Gran Sasso in ein Tau-Neutrino verwandelt haben. Da eine solche Verwandlung nur extrem selten stattfindet, kann sie auch nur extrem selten beobachtet werden. Seit 2008 ist das OPERA-Experiment in Betrieb und kann Tau-Neutrinos detektieren. Doch erst nach zwei Jahren, also 2010, wurde das erste Tau-Neutrino beobachtet. 2012 folgte dann das zweite, 2013 das dritte, und jetzt das vierte.

„Nachdem wir in Gran Sasso das vierte Tau-Neutrino beobachtet haben, können wir mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit (4.2 Sigma) sagen, dass diese Verwandlung vom Myon- zum Tau-Neutrino tatsächlich stattfindet“, sagt Antonio Ereditato von der Universität Bern, deren Physikinstitut heute als einziges Schweizer Institut am OPERA-Experiment beteiligt ist. „Das ist auch deshalb ein Erfolg, weil die Verwandlung von einem Myon- in ein Tau-Neutrino bisher an keinem anderen Experiment direkt beobachtet werden konnte“, betont Ereditato.

Nachweis dauerte Jahrzehnte

Dass sich Neutrinos von einer Art in eine andere verwandeln können, hatte der italienische Physiker Bruno Pontecorvo bereits in den 1950er Jahren postuliert. Es dauerte dann aber bis 1998, bis ein japanisches Experiment (SUPER-KAMIOKANDE) eine solche Verwandlung erstmals beobachten konnte (es handelte sich damals schlicht um das Verschwinden von Myon-Neutrinos). Seither verwenden Physiker ihre Energie darauf, diesen Verwandlungsprozess und damit das immer noch geheimnisvolle Neutrino genauer zu verstehen.

Ein anderes japanische Experiment (T2K) und das OPERA-Experiment in Italien sind die beiden einzigen Experimente, die die Verwandlung von Neutrinos bisher direkt beobachten konnten. Anderen Wissenschaftlern war es nur gelungen, diesen Vorgang indirekt nachzuweisen: durch das Verschwinden. So beobachteten sie Myon-Neutrinos, die durch kosmische Strahlung,und die Sonne erzeugt worden waren. Erstaunlicherweise waren von diesen Myon-Neutrinos dann weit weniger auf der Erde eingetroffen, also man eigentlich erwartet hatte. Warum dies so war, kann man mit dem heutigen Wissen leicht verstehen: die 'vermissten' Myon-Neutrinos konnten auf der Erde nicht beobachtet werden, weil sie sich in der Zwischenzeit in Tau-Neutrinos verwandelt hatten. Andere Experimente, die als Quelle von Neutrinos Beschleuniger oder Atomkraftwerke verwendet haben, haben auch ‘vermissten’ Myon-Neutrinos nachweisen können.

11 Staaten beteiligt

Das OPERA-Experiment in Gran Sasso findet unter dem Dach des Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN) statt. Am OPERA-Experiment arbeiten 140 Physiker aus 11 Staaten, darunter der Schweiz. Das Untergrund-Labor in Gran Sasso besteht aus einem 4000 Tonnen schweren Detektor, den man sich vereinfacht wie eine Kamera vorstellen kann, mit dem man Neutrinos fotografieren kann.

Benedikt Vogel (veröffentlicht 25. 3. 2014)

  • Blick in das OPERA-Experiment in Gran Sasso (Italien).
  • Prof. Antonio Ereditato
  • Blick in das OPERA-Experiment in Gran Sasso (Italien).Image: OPERA1/2
  • Prof. Antonio Ereditato2/2

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