Ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen?

13. Februar 2011, 19:04
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Forscher finden vielversprechenden Kandidaten zur Klärung eines Problems mit weitreichenden Konsequenzen für die Kosmologie

Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik haben mit Gadolinium-152 einen vielversprechenden Kandidaten zur Klärung der Frage gefunden, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Die Antwort darauf hätte weitreichende Konsequenzen für die Teilchenphysik und die Kosmologie insgesamt.

Eine der Grundfragen der Kosmologie ist, warum es nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie gab, so dass außer bloßer Strahlung überhaupt etwas übrig geblieben ist, um Galaxien, Sterne, Planetensysteme, Lebewesen und schließlich unsere eigene Existenz zu ermöglichen. Das theoretische Verständnis hierzu ist mit den Eigenschaften von Neutrinos verbunden, jenen elektrisch neutralen Teilchen, die mit der übrigen Materie nur sehr schwach wechselwirken und diese nahezu ungehindert durchdringen.

Man weiß auch, dass es drei Sorten von Neutrinos gibt, die eine - wenn auch sehr kleine - voneinander verschiedene Masse besitzen, was unter anderem zur Folge hat, dass sie sich ineinander umwandeln können (so genannte Neutrino-Oszillationen, Anm.). Unbekannt sind aber noch die absoluten Werte der Neutrinomassen und die Frage, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Teilchen mit dieser Eigenschaft nennt man Majorana-Fermionen. Ein solches Teilchen muss elektrisch neutral sein, denn das jeweilige Antiteilchen trüge anderenfalls die entgegengesetzte Ladung und wäre dadurch unterscheidbar. Wegen der grundsätzlichen Konsequenzen der Majorana-Eigenschaft für die Teilchenphysik und Kosmologie, welche sich in der Astroteilchenphysik begegnen, unternehmen Forscher große Anstrengungen, um diese experimentell zu testen.

Unwahrscheinlicher neutrinoloser Prozess

Ein möglicher Nachweis wäre die Beobachtung des neutrinolosen Doppel-Betazerfalls, wonach seit kurzem im GERDA-Experiment im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor unter Beteiligung des MPIK für Kernphysik gesucht wird. Hier zerfallen normalerweise zugleich zwei Neutronen eines Germanium-Atomkerns in zwei Protonen unter Aussendung zweier Elektronen und zweier Antineutrinos. Als Majorana-Fermion kann aber das Antineutrino aus dem Zerfall des einen Neutrons als Neutrino von dem anderen Neutron gleich wieder verschluckt werden, so dass nur die beiden Elektronen beobachtet würden. Ein solcher neutrinoloser Prozess ist sehr unwahrscheinlich und es bedarf eines großen experimentellen Aufwandes, um ihn überhaupt aus der Fülle von Hintergrundereignissen zu isolieren.

Es gibt noch einen weiteren Zerfallsprozess, bei welchem umgekehrt zwei Elektronen aus der Atomhülle von zwei Protonen des Kerns quasi verschluckt werden, welche sich dabei in zwei Neutronen umwandeln und zwei Neutrinos aussenden (siehe Abbildung 1a). Die Forscher sprechen hier vom Doppeleinfang und hätte das Neutrino die Majorana-Eigenschaft, wäre auch der neutrinolose Doppeleinfang möglich (siehe Abbildung 1b). Die schlechte Nachricht ist aber, dass ein solcher Zerfall noch wesentlich unwahrscheinlicher wäre als der oben erwähnte neutrinolose Doppelbetazerfall und somit sein Nachweis praktisch aussichtslos - mit einer Ausnahme, auf die Forscher am CERN bereits in den 1980er Jahren hinwiesen: Wenn die Zerfallsenergie, also die Energiedifferenz zwischen Anfangs- und Endzustand dieses Kernprozesses sehr klein ist, so erfolgt eine resonante Verstärkung um viele Zehnerpotenzen.

Nachweis mit Hilfe von Resonanzen

Resonanzen sind uns aus der Musik geläufig und der Instrumentenbauer wie der geübte Sänger nutzt sie, um einen tragfähigen Klang zu erzeugen. Mit Hilfe eines Resonanzeffekts, so hoffen die Physiker, könnte quasi auch der praktisch unhörbar leise Ton des neutrinolosen Doppeleinfangs im lauten Konzert der Materie nachweisbar werden. Wie aber misst man nun Energiedifferenzen so genau, dass man über diese Möglichkeit eine Aussage machen kann? Hier hilft den Forschern um Klaus Blaum und Sergey Eliseev die von Einstein formulierte Äquivalenz von Masse und Energie - ausgedrückt in der berühmten Formel E = mc2.

Im Prinzip brauchen sie nur Mutter- und Tochternuklid des in Frage kommenden Prozesses auf die Waage zu legen. In diesem Fall war es das Gadolinium-Isotop mit der Massenzahl 152 (Gd-152), welches über Doppeleinfang neutrinolos in das Samarium-Isotop Sm-152 zerfallen könnte. Dies funktioniert aber nur, wenn bei dem Zerfall überhaupt Energie frei wird und selbst hierüber gaben bisherige Messungen keine zuverlässige Auskunft. Für die Zerfallsenergie Delta ergab sich ein kleiner negativer Wert, aber mit einem Fehler, der fast 20mal so groß war. Somit war praktisch alles möglich - dass der Zerfall gar nicht stattfindet (negatives Delta) oder mehr oder weniger resonant verläuft, wobei zwischen "mehr" und "weniger" innerhalb der Unsicherheit noch fast 5 Zehnerpotenzen lagen. Für jemanden, der eine solches Experiment zum Test der Majorana-Eigenschaft planen möchte, bei weitem zu viel!

Unerreicht präzise Massebestimmung

Die Gruppe von Klaus Blaum hat nun in Kooperation mit Forschern von der Universität Heidelberg und acht weiteren Instituten an der SHIPTRAP-Apparatur des GSI-Helmholtzzentrums in Darmstadt die Massen von Gd-152 und Sm-152 mit bisher nicht erreichter Präzision bestimmt. Hierzu wurde die kreisende Bewegung einfach geladener Gd- bzw. Sm-Ionen im Magnetfeld einer speziellen Ionenfalle vermessen und aus der daraus gewonnenen Massendifferenz auf die gesuchte Energiedifferenz Qee zwischen Mutter- und Tochternuklid geschlossen. Unterstützt wurde die Arbeit von theoretischen Rechnungen zur Bindungsenergie der Elektronen B2h und der Energieunschärfe des Endzustands, um einen aussagekräftigen Wert für die Wahrscheinlichkeit des neutrinolosen Doppeleinfangs zu gewinnen.

Als Zerfallsenergie Delta = Qee - B2h ergab sich ein eindeutig positiver Wert mit einer Ungenauigkeit von ca. 20 Prozent. Die daraus resultierende resonante Verstärkung gegenüber dem Zerfall des Eisen-Isotops Fe-54 als Bezugspunkt beträgt fast sieben Zehnerpotenzen. Mit der Größenordnung von 10 hoch 26 Jahren ist die berechnete Halbwertszeit die kürzeste unter den bekannten neutrinolosen Einfangprozessen und damit erweist sich Gadolinium-152 zumindest als vielversprechender Kandidat für zukünftige Untersuchungen. (red)

  • Illustration des Doppeleinfangs zweier Elektronen (blau) durch zwei Protonen (rot), woraus zwei Neutronen (grau) hervorgehen.
(a) "Normaler" Doppeleinfang unter Aussendung zweier Neutrinos (hellgrau).
(b) Neutrinoloser Doppeleinfang: Das Neutrino aus einem der beiden Protonen wird als Antineutrino wieder eingefangen und verschmilzt mit dem zweiten Elektron und dem anderen Proton zu einem weiteren Neutron.
    foto: mpi für kernphysik

    Illustration des Doppeleinfangs zweier Elektronen (blau) durch zwei Protonen (rot), woraus zwei Neutronen (grau) hervorgehen.

    (a) "Normaler" Doppeleinfang unter Aussendung zweier Neutrinos (hellgrau).

    (b) Neutrinoloser Doppeleinfang: Das Neutrino aus einem der beiden Protonen wird als Antineutrino wieder eingefangen und verschmilzt mit dem zweiten Elektron und dem anderen Proton zu einem weiteren Neutron.

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