Fortschritte auf dem Weg zum Verständnis der Neutrino-Eigenschaften

Ganz nah dran an den „Geisterteilchen“

Hinzu kommt die Vermutung, dass Neutrinos so genannte Majorana-Teilchen sind: Anders als alle anderen Bausteine der Materie könnten sie ihre eigenen Antiteilchen sein. Dies würde auch eine Erklärung dafür liefern, warum es im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie gibt.

Zur Überprüfung der Majorana-Vermutung sucht das GERDA-Experiment nach dem bisher nicht beobachteten neutrinolosen doppelten Betazerfall im Germanium-Isotop ⁷⁶Ge: Dabei wandeln sich zwei Neutronen in einem ⁷⁶Ge-Kern gleichzeitig in zwei Protonen um, wobei zwei Elektronen emittiert werden. Dieser Zerfall ist im Standardmodell verboten, da die beiden Antineutrinos – die ausgleichende Antimaterie – fehlen.

Die Technische Universität München (TUM) beteiligt sich seit vielen Jahren intensiv am Projekt GERDA (GERmanium Detector Array). Sprecher des neuen Projekts LEGEND ist Prof. Stefan Schönert, der die TUM-Forschungsgruppe leitet.

GERDA ist das erste Experiment auf dem Gebiet, das den störenden Untergrund soweit reduzieren konnte, dass der gesuchte neutrinolose doppelte Betazerfall, sofern er existiert, eine Halbwertszeit von mindestens 10²⁶ Jahren haben muss, das ist das 10 000 000 000 000 000-fache des Alters des Universums.

Die Physiker wissen, dass Neutrinos mindestens hunderttausendmal mal leichter sind als Elektronen, die nächstschwereren Teilchen. Welche Masse sie genau haben, ist allerdings noch unbekannt und ein weiteres wichtiges Forschungsthema.

Interessanterweise korrespondiert die Halbwertszeit des neutrinolosen doppelten Betazerfalls mit einer speziellen Variante der Neutrino-Masse, der Majorana-Masse. Kombiniert man das neue GERDA-Ergebnis mit denjenigen anderer Doppel-Beta-Zerfallsexperimente, so muss diese Masse sogar mindestens eine Million mal kleiner sein als die des Elektrons. Physikalisch ausgedrückt läge die Masse bei unter 0,07 bis 0,16 eV/c² [1].

Auch andere Experimente grenzen die Neutrino-Massen ein: Die jüngste Analyse der Planck-Mission kommt für die Summe der Massen der drei Neutrino-Arten auf unter 0,12 – 0,66 eV/c².

Das Tritium-Zerfallsexperiment KATRIN am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird in den kommenden Jahren die Masse des Elektron-Neutrinos mit einer Empfindlichkeit von ca. 0,2 eV/c² bestimmen. Die Werte können zwar nicht direkt verglichen werden, sie erlauben es aber, die unterschiedlichen Modelle zu überprüfen. Bislang gibt es keine Widersprüche.

Die nun vorgestellten Beobachtungen wurden mit einer Detektormasse von 35,6 kg ⁷⁶Ge gemacht. Eine neue internationale Zusammenarbeit unter dem Namen LEGEND wird nun die Detektormasse bis 2021 auf 200 kg ⁷⁶Ge erhöhen und die Störungen so weit reduzieren, dass nach fünf Jahren eine Empfindlichkeit von 10²⁷ Jahren erreicht ist.