Wie Forscher das Rätsel um Materie und Antimaterie lösen wollen

12. April 2017, 09:00
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Unter den italienischen Abruzzen suchen Forscher nach einem Prozess, der eine fundamentale Frage der Physik aufklären könnte

L'Aquila/Wien – Die Teilchenphysik ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, dass gerade die Erforschung der kleinsten Bausteine der Materie an den großen, fundamentalen Fragen, die unsere Existenz betreffen, rühren kann. Warum wir existieren, ist eine Frage, die die Physik seit jeher beschäftigt. Dabei geht es freilich nicht um theologische Schöpfungsmythen, vielmehr interessiert sich die Physik zum Beispiel dafür, woher die Materie stammt, die unsere Körper ausmacht. Oder allgemeiner gefragt: Warum dominiert in unserem Universum die Materie gegenüber der Antimaterie?

Physikalisch gesehen ist das Rätsel unserer Existenz derzeit noch ungelöst, es gibt aber eine Reihe an Theorien, die zur Beantwortung dieser Frage beitragen wollen. Einige von ihnen haben mit äußerst häufigen, wenn auch für uns recht unscheinbaren Teilchen zu tun: Neutrinos. Vergangene Woche legten Physiker im Fachblatt "Nature" neue Ergebnisse zu den Eigenschaften dieser Teilchen vor, die uns bei der Frage nach der Existenz einen Schritt weiterbringen könnten.

Gegenseitiges Auslöschen

Was wissen wir bisher? Gemäß dem Standardmodell der Teilchenphysik sollte das Universum symmetrisch sein. Denn die Theorie besagt, dass es zu jedem Teilchen einen Antipartner gibt, der sich nur in ihrer Ladung unterscheidet. Bei Wechselwirkungen können Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen entstehen, und wenn ein Teilchen auf sein Antiteilchen trifft, löschen sie einander aus. Demnach sollten sich Materie und Antimaterie bereits kurz nach dem Urknall gegenseitig aufgehoben haben. Dass dennoch Galaxien, Planeten und Leben entstanden sind – dafür hat das Standardmodell keine Erklärung anzubieten. Einige Physiker vermuten, dass die Ursache dafür, warum es ein kleiner Teil der Materie geschafft hat, das große Auslöschen zu überleben, mit Neutrinos zu tun haben könnte.

illustr.: picturedesk / photoresearchers / carol and mike werner
Bei einer Kollision eines Teilchens mit seinem Antiteilchen löschen sich diese gegenseitig aus. Physiker fahnden derzeit nach Teilchen, die zugleich ihre eigenen Antiteilchen sind.

Erstmals wurden Neutrinos in einem Brief aus dem Jahr 1930 des österreichischen Physikers und späteren Nobelpreisträgers Wolfgang Pauli vorgeschlagen. Die erste Beobachtung erfolgte allerdings erst 23 Jahre später. Neutrinos wechselwirken kaum mit anderen Teilchen, daher können sie trotz ihrer Häufigkeit nur schwer nachgewiesen werden. Diese ungeladenen Teilchen spielen eine wichtige Rolle in Prozessen in der Sonne, bei Supernova-Explosionen und bei der Entstehung der ersten Elemente im Universum. Ebenfalls bereits in den 1930er-Jahren schlug der italienische Physiker Ettore Majorana vor, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sein könnten. Physiker sprechen in diesem Kontext auch von Majorana-Teilchen. Wenn dem so ist, könnte es in Atomkernen zu einer ungewöhnlichen und äußerst seltenen Form von Radioaktivität kommen: dem sogenannten doppelten Betazerfall.

Fahndung nach seltenem Prozess

Beim herkömmlichen Betazerfall zerfällt ein Neutron, ein ungeladener Baustein des Atomkerns, spontan in ein positiv geladenes Proton und sendet ein negativ geladenes Elektron und ein Antineutrino aus. Im doppelten Betazerfall wandeln sich zwei Neutronen in zwei Protonen um. Dabei werden zwei Elektronen und zwei Antineutrinos ausgesendet. Im Falle, dass das Neutrino seinem Antiteilchen entspricht, würde dies zur gegenseitigen Aufhebung im Atomkern führen. Folglich müssten die ausgesendeten Elektronen beim neutrinolosen doppelten Betazerfall über etwas mehr Energie, nämlich die gesamte Energie, die bei der Reaktion freigesetzt wird, verfügen.

Seit November 2011 haben Wissenschafter im Germanium-Detector-Array-Experiment (kurz Gerda) am Laboratori Nazionali, das unter dem Gran-Sasso-Massiv in Italien liegt, im radioaktiven Zerfall von Germanium-76 nach eben diesem Prozess gesucht – die Planung dafür wurde bereits 2004 gestartet. Bislang haben sie den doppelten neutrinolosen Betazerfall noch nicht gefunden – dennoch ist das Experiment schon jetzt ein Erfolg.

Entscheidender Durchbruch

So stehen ihre Resultate in Widerspruch zu früheren Messungen. Forscher rund um Hans Klapdor-Kleingrothaus vom Max-Planck-Institut für Kernphysik hatten 2006 behauptet, im sogenannten Heidelberg-Moskau-Experiment den doppelten Betazerfall erstmals nachgewiesen zu haben. Mittlerweile – und nicht zuletzt durch das Gerda-Experiment – ist belegt, dass die Physiker ihre Daten offenbar falsch interpretiert haben und nichts weiter als eine Schwankung im Untergrund gemessen hatten.

Zudem hat der Gerda-Verbund mit den nun publizierten Daten den größten Hemmschuh für derartige Experimente eliminiert, womit man dem Ziel einen entscheidenden Schritt nähergekommen ist: Die Forscher haben das erste störungsfreie Experiment zur Messung des neutrinolosen doppelten Betazerfalls bewerkstelligt.

Abgeschirmt durch Gebirgsmassiv

Störfaktoren für das Experiment sind etwa kosmische Teilchen, die permanent auf die Erde einprasseln, oder die natürliche radioaktive Strahlung. Um das Gerda-Experiment frei von kosmischen Teilchen zu halten, findet es 1400 Meter unter den Gipfeln der italienischen Abruzzen statt. Neben Gerda werden im Gran-Sasso-Labor noch rund 15 andere Experimente betrieben, darunter das CRESST-Experiment, an dem auch das Österreichische Institut für Hochenergiephysik (Hephy) beteiligt ist, mit dem der Nachweis von Dunkler Materie gelingen soll.

Zur Abschirmung der natürlichen Radioaktivität werden die Germaniumdetektoren beim Gerda-Experiment in einem Kühltank mit flüssigem Argon betrieben, dieser befindet sich wiederum in einem riesigen Wassertank.

foto: k. freund, gerda collaboration
Die inneren Wände des Wassertanks, in dem sich der Kühltank befindet, worin die Germaniumdetektoren betrieben werden, ist mit einer reflektierenden Folie ausgelegt, um die Lichtdetektion zu verbessern. Das erlaubt die Identifikation kosmischer Teilchen.

Die nun publizierten Resultate führen zur bisher genauesten Untergrenze für die Lebensdauer des Atomkerns, der auf diese Weise zerfällt – diese liegt demnach bei einer Halbwertszeit von 5,3 mal 10^25 Jahren mit einer Sicherheit von 90 Prozent. Anders ausgedrückt: Rund tausend Millionen Millionen Mal das Alter des Universums – so lange würde es dauern, bis sich die Hälfte einer Stoffmenge über den doppelten Betazerfall umgewandelt hat.

Eine der wichtigsten Fragen

Trotz der bislang erfolglosen Fahndung ist der neutrinolose doppelte Betazerfall nicht ausgeschlossen. "Ich bin davon überzeugt, dass es den Prozess gibt", sagt Peter Grabmayr von der Universität Tübingen, der am Gerda-Experiment beteiligt ist. "Es ist aber schwer vorherzusagen, wann der Nachweis gelingt." Vermutlich würde man noch größere Detektoren brauchen, um ihn nachzuweisen. Der Gerda-Forscherverbund arbeitet bereits an der Planung künftiger Experimente.

Auch in den USA sollen 250 Millionen Dollar in ein derartiges Experiment investiert werden, "derzeit haben wir aber die Nase vorn", sagt Grabmayr. Das große Forschungsinteresse an den kleinen Teilchen begründet er so: "Die Neutrinoeigenschaften zählen zu den zehn wichtigsten Fragen, die die Physik bewegen."

Bereits mit einer anderen Eigenschaft erzwingen die Neutrinos eine Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik: Sie besitzen eine Masse – im Gegensatz zu den Vorhersagen des Modells. Für diese Erkenntnis wurde 2015 der Physiknobelpreis an den japanischen Physiker Takaaki Kajita und den kanadischen Physiker Arthur B. McDonald vergeben.

Die Jagd nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall und damit die Suche nach dem Rätsel unserer Existenz kann also in die nächste Runde gehen. (Tanja Traxler, 12.4.2017)

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