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Neutrinos: Die aufwendige Erforschung der Geisterteilchen

| Autor / Redakteur: Stefan Parsch, dpa / Julia Schmidt

Seit Jahrzehnten fahnden Forscher nach Neutrinos. Die Geisterteilchen jagen massenhaft durchs All, wechselwirken aber kaum mit Materie. Ausgeklügelte Experimente sollen den Teilchen ihre Geheimnisse entlocken.

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Bild eines Magnetischesn Horns, Neutrino Horn oder auch Van der Meer Horn genannt, zur Fokussierung von Myonen, Neutrinos und Antineutrinos.
Bild eines Magnetischesn Horns, Neutrino Horn oder auch Van der Meer Horn genannt, zur Fokussierung von Myonen, Neutrinos und Antineutrinos.
(Bild: skeeze / Pixabay )

Erkenntnisse über die Dunkle Materie, über den Urknall und über eine Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik: Von der Neutrinoforschung erhoffen sich Physiker sehr viel. Neutrinos sind extrem leichte, kleine und elektrisch neutrale Teilchen, die kaum mit Materie in Wechselwirkung treten und mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durchs All rasen: Pro Sekunde durchströmen etwa 60 Milliarden Neutrinos die Fläche eines Daumennagels.

Trotz ihrer Zahl sind diese Geisterteilchen äußerst schwer nachweisbar: Da sie nur über die schwache Kernkraft wechselwirken, müssen sie extrem nah an ein Kernteilchen eines Atoms herankommen, damit eine Kollision stattfindet – was sehr selten geschieht. Dennoch gelang es US-Physikern schon 1956, Neutrinos anhand von ihnen ausgelöster Reaktionen nachzuweisen.

Kernfusion als Energiequelle – ein Ergebnis der Neutrinoforschung

1987 registrierte der japanische Neutrinodetektor Kamiokande Neutrinos einer Supernova – der Explosion eines massereichen Sterns. Von den etwa zehn Billiarden Neutrinos, die Berechnungen zufolge durch den Detektor geflogen sein müssen, traten gerade einmal zwölf in Wechselwirkung mit Atomen und wurden so nachgewiesen. Diese Zwölf reichten aus, um aufgrund ihrer Eigenschaften die Temperatur im Inneren des neu entstandenen Neutronensterns auf 30 bis 50 Milliarden Grad Celsius zu schätzen.

Zu den Erfolgen der astronomischen Neutrinoforschung zählt auch der Nachweis, dass die Kernfusion als Energiequelle der Sonne so abläuft, wie sie ab Ende der 1930er Jahre theoretisch erdacht und berechnet wurde. „Die Reaktionsschritte in der Sonne konnten durch Neutrinomessungen einer nach dem anderen exakt bestätigt werden“, sagt Christian Spiering vom Forschungszentrum Desy in Zeuthen bei Berlin.

Neutrinos sind für solche Nachweise bestens geeignet, denn sie gelangen in nur zwei Sekunden vom Zentrum der Sonne bis zur Oberfläche und rasen dann mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zur Erde. Ein Photon (Lichtteilchen) dagegen braucht zur Oberfläche der Sonne bis zu 400 000 Jahre, weil es innerhalb des Sterns immer wieder abgelenkt wird.

Inzwischen misst der Neutrino-Detektor „IceCube“ am Südpol etwa 100 000 Neutrinos pro Jahr. „IceCube“ besteht aus mehr als 5000 lichtempfindlichen Sensoren, die tief im Eis der Antarktis einen Würfel mit der Kantenlänge von einem Kilometer bilden. Trifft ein Neutrino auf ein Atom im Eis, entsteht die bläuliche Tscherenkow-Strahlung und wird von den Lichtsensoren erfasst. Anhand der Ankunftszeit der Strahlung an verschiedenen Sensoren können die Wissenschaftler auch die Richtung berechnen, aus der das Neutrino gekommen ist - und damit die Quelle identifizieren.

Am 22. September 2017 registrierte „IceCube“ ein Neutrino mit extrem hoher Energie. „Über ein Alarmsystem erhielt eine Reihe von Teleskopen und Satelliten die Information über dieses Ereignis mit der Angabe der Ursprungsrichtung“, sagt Desy-Forscher Spiering, der zur „IceCube“-Kollaboration gehört. Mehrere Einrichtungen maßen daraufhin Gammastrahlen aus einer Himmelsregion nahe dem Sternzeichen Orion. Als Quelle der Strahlen und des Neutrinos wurde TXS 0506+056 ausgemacht, eine 3,8 Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie mit einem supermassereichen Schwarzen Loch. Damit nicht genug: die „IceCube“-Kollaboration fand nachträglich in den archivierten Daten der Jahre 2014 und 2015 weitere Neutrinos aus dieser Quelle.

Von aktiven galaktischen Kernen und supermassereichen Schwarzen Löchern

Silke Britzen vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn befasst sich mit solchen aktiven galaktischen Kernen und ihren supermassereichen Schwarzen Löchern. Und mit den hochenergetischen Strahlen- und Teilchenströmen, sogenannten Jets, die sie ausstoßen. Sind diese Jets direkt auf die Erde gerichtet, sprechen Astronomen von Blazaren. Britzen las von der „IceCube“-Messung und wunderte sich, dass nur ein einzelnes Neutrino aus einem Blazar gemessen worden war. Denn allein das Gammastrahlen-Weltraumteleskop Fermi hat etwa 2500 Blazare vermessen.

Die energiereichen Neutrinos können nur in sehr hochenergetischen Prozessen entstehen. In den Jets der Blazare entstehen energiereiche Gammastrahlen und dort können auch die energiereichen Neutrinos produziert werden. Überraschend war, dass nur ein einziger dieser Blazare Neutrinos produziert. Die Frage war daher: Was macht die Quelle TXS 0506+056 so besonders und warum produziert nur sie Neutrinos?

Britzen beschloss, der Sache nachzugehen. Zusammen mit weiteren Forschern untersuchte sie Beobachtungen aus dem Radiobereich von TXS 0506+056 aus den Jahren 2009 bis 2018. Schließlich fand sie Hinweise darauf, dass das Neutrino womöglich aus einer Wechselwirkung von Jetmaterial oder gar der Kollision von zwei Jets stammt und dass sich in der Quellgalaxie zwei supermassereiche Schwarze Löcher befinden, die einander umkreisen.

Ihr Artikel im Fachblatt „Astronomy & Astrophysics“ sei im Oktober 2019 auf großes Interesse gestoßen, sagt Britzen. Die Astrophysik profitiere ungemein von den neuen Informationen, die auf der Erde nachgewiesen werden könnten. „Wenn wir diese Informationen mit den Daten kombinieren, die wir von erdgebundenen und Weltraum-Teleskopen erhalten, können wir astrophysikalische Phänomene mit bislang unerreichter Datenvielfalt untersuchen“, betont sie.

Doch nicht nur für Astronomen, auch für Teilchenphysiker sind Neutrinos ein spannendes Forschungsgebiet. Im Jahr 1998 entdeckten Forscher sogenannte Neutrino-Oszillationen, bei denen Neutrinos ihre Identität zwischen drei Arten wechseln – und folglich eine Masse haben müssen. Diese Entdeckung, für die der Japaner Takaaki Kajita und der Kanadier Arthur McDonald 2015 den Nobelpreis für Physik erhielten, zeigte, dass das Standardmodell der Teilchenphysik nicht ganz richtig ist - denn darin hatten Neutrinos bis zu dieser Entdeckung keine Masse. Doch wie groß die Masse ist, ist noch unbekannt.

Der Betazerfall von Tritium

Diese Frage soll in Karlsruhe das Experiment „Katrin“ – Karlsruher Tritium-Neutrinoexperiment – klären. Im größten Ultrahochvakuumbehälter der Welt wird die Energie der Elektronen gemessen, die aus einem radioaktiven Zerfall stammen – genauer gesagt, dem Betazerfall von Tritium. Dies ist ein Wasserstoff mit einem Proton und zwei Neutronen im Atomkern – gewöhnlicher Wasserstoff hat nur ein Proton im Kern. „Das ist unser weltweites Alleinstellungsmerkmal: Wir haben die stärkste Quelle für den Betazerfall“, betont Guido Drexlin vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), einer der Sprecher der „Katrin“-Kollaboration.

Bei einem Betazerfall werden ein Elektron und ein Neutrino freigesetzt. Welche Energie beide zusammen haben müssen, ist sehr genau bekannt. Wird nun die Energie der Elektronen extrem präzise bestimmt, erlaubt das Rückschlüsse auf die Energie der Neutrinos. Auf diese Weise bestimmten die Forscher 2019 eine neue Obergrenze der Neutrinomasse von 1,1 Elektronenvolt – und das bei nur vier Wochen Messzeit unter nicht optimalen Bedingungen, betont Christian Weinheimer von der Universität Münster, der andere Sprecher der Kollaboration.

Weinheimer berichtet von den Widrigkeiten der Unternehmung. Bereits 2001 wurde die internationale Kollaboration gegründet, bis Ende 2004 wurde das Design des Experiments ausgearbeitet, aber erst 2019 konnte gemessen werden. „Physiker sind Berufsoptimisten“, sagt er. Ohne Geduld und Ausdauer komme man nicht weit. Mit „Katrin“ werde das technisch Machbare an seine Grenzen getrieben. Vieles habe erst völlig neu entwickelt werden müssen und weil Erfahrungswerte fehlten, sei das Projekt teurer geworden und habe später begonnen.

Doch jetzt läuft „Katrin“. Auch die Astronomie könne von den Erkenntnissen aus dem Experiment profitieren, sagt Weinheimer. Denn Neutrinos sind für ihn der einzig gesicherte Anteil an der geheimnisvollen Dunklen Materie. Und KIT-Forscher Drexlin sieht in Neutrinos mögliche Botschafter aus einer sehr frühen Phase des Universums, mitunter aus den ersten Sekunden nach dem Urknall. Er verweist aber auch auf irdische Ergebnisse der Katrin-Kollaboration: So sei aus dem Projekt ein neuartiger Massenflusssensor hervorgegangen, der jetzt Marktreife erlangt habe.

Zwei Neutrinos verbleiben im Kern und löschen sich gegenseitig aus

Während bei „Katrin“ der „gewöhnliche“ Betazerfall untersucht wird, geht es bei dem Projekt „Legend“ (Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double Beta Decay), das aktuell vorbereitet wird, um den neutrinolosen doppelten Betazerfall. Wie im Vorgängerprojekt „Gerda“ versuchen die Forscher, im Untergrundlabor Gran Sasso der italienischen Forschungseinrichtung INFN diese Zerfallsform nachzuweisen.

Dazu wurde hochreines Germanium mit dem Isotop Germanium-76 angereichert, in dem es zum doppelten Betazerfall kommen kann. „Bei ‚Legend‘ werden wir die Empfindlichkeit um den Faktor 10 erhöhen können“, erklärt Bernhard Schwingenheuer vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg im Vergleich zu „Gerda“.

Beim mehrfach beobachteten doppelten Betazerfall verlassen zwei Elektronen und zwei Neutrinos den Atomkern. Bei der neutrinolosen Variante würden die beiden Neutrinos im Kern verbleiben und sich gegenseitig auslöschen, was möglich ist, wenn Neutrino und Antineutrino identisch sind. Dies wäre in den Augen vieler Physiker eine fantastische neue Eigenart von Neutrinos. „Mein Vorurteil ist, dass es den neutrinolosen doppelten Betazerfall tatsächlich gibt“, sagt Schwingenheuer.

Für diesen Nachweis nehmen er und seine mehr als 200 Kollegen, die an dem Projekt beteiligt sind, viel Arbeit auf sich. Durch Abschirmung von Neutrinos aus anderen Quellen und eine optimierte Computerauswertung der Messungen sehen sie sich in der Lage, den neutrinolosen doppelten Betazerfall nachzuweisen – wenn es ihn denn tatsächlich gibt. (dpa)

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