Theoretische Neutrinophysik

Trotz des spektakulären Erfolgs der theoretischen Teilchenphysik, die Kräfte zwischen den Bausteinen der Materie im Rahmen des Standardmodells zu verstehen, bleiben wesentliche Fragen offen. Es gibt bisher nur Hypothesen für die Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie. Selbst die Frage, warum Elementarteilchen überhaupt Massen besitzen, ist nicht endgültig geklärt. Erstaunlich ist auch, dass Neutrinos viel geringere Massen besitzen als etwa die Elektronen. Darüber hinaus wird vermutet, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind, was überraschenderweise erklären könnte, warum es überhaupt Materie im Universum gibt. Die theoretische Neutrinophysik versucht, diese weitgespannten Fragen in einen größeren begrifflichen Rahmen einzuordnen, quantitativ zu fassen, experimentelle Überprüfungsmöglichkeiten aufzuzeigen und astrophysikalische oder kosmologische Konsequenzen zu erarbeiten.

Flavoroszillationen: Kleine Massen - große Wirkung

Durch Massenmischungen kann ein Neutrino unterwegs seinen Flavor wechseln.

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Durch Massenmischungen kann ein Neutrino unterwegs seinen Flavor wechseln. In diesem Beispiel tritt das Teilchen abwechselnd als Myon- oder Tau-Neutrino auf.

Quarks, Neutrinos und die geladene Leptonen treten in jeweils drei Varianten (Generationen bzw. Flavors) auf. Schon von den Quarks ist das Phänomen der "Teilchenmischung" oder "Flavorverletzung" bekannt. Im Falle der Neutrinos bedeutet dies, dass etwa das Elektron- Neutrino v_e aus einer quantenmechanischen Überlagerung dreier Massenwerte m₁, m₂ und m₃ besteht. Bei gleicher Energie hat dann jeder dieser Bestandteile eine andere Geschwindigkeit. Dies führt zu Interferenzen, weil die Bewegung von Quanten als Wellenphänomen zu verstehen ist. Beispielsweise geht das v_e nach einer gewissen Strecke in ein v^₀ über. Je kleiner die Massenunterschiede, desto größer diese "Oszillationslänge", die im Falle von Neutrinos aus Kernreaktoren mehrere hundert Kilometer beträgt. Eine Reihe von Experimenten hat ergeben, dass sich die drei Neutrinomassenwerte um etwa 10 bzw. 50 meV voneinander unterscheiden, wobei 1 meV (Milli-Elektronenvolt) einem Billionstel (10-12) der Protonenmasse entspricht. Für die absoluten Neutrinomassen existieren hingegen nur Obergrenzen in der Größenordnung von 1 eV.

Das Elektron-Neutrino v_e hat zu rund zwei Dritteln den Massenwert m₁ und zu rund einem Drittel den Massenwert m₂. Das Reaktor-Neutrinoexperiment Double Chooz, das derzeit vorbereitet wird, könnte zum ersten Mal auch einen kleinen Bestandteil an m₃ im v_e entdecken. In diesem Fall treten völlig neue "Dreiflavor- Oszillationen" auf.

Neutrinoloser Doppel-Betazerfall.

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Beim neutrinolosen Doppel-Betazerfall werden von bestimmten Kernen zwei Elektronen emittiert. Dieser extrem seltene Prozess ist nur möglich, wenn Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind.

Es gibt eine Vielzahl von komplexen Oszillationseffekten. So verändern sich die Oszillationslängen, wenn Neutrinos Materie durchqueren. Die theoretische Neutrinophysik hat den Formalismus geschaffen, die Vielfalt der Möglichkeiten zu ordnen und neue Strategien zu entwickeln, um die "Neutrino-Mischungsmatrix" gänzlich aufzuklären. Obwohl Neutrinos vergleichsweise winzige Massen besitzen, tragen sie auf Grund ihrer hohen Anzahl (mit etwa 330 Neutrinos pro Kubikzentimeter sind sie nach den Photonen die zweithäufigsten Teilchen) signifikant zur Dunklen Materie bei. Wie hoch dieser Beitrag ist, lässt sich mit Oszillationsexperimenten nicht bestimmen, wohl aber mit Betazerfalls-Experimenten, wie dem im Bau befindlichen KATRIN.

Neutrinos auf der Klipp-Klapp-Schaukel

Die Neutrinomischungen unterscheiden sich spektakulär von denen der Quarks, was zu völlig neuen Ansätzen für Massenmodelle z.B. mit Flavorsymmetrien geführt hat. Eine Frage müssen alle Modelle lösen: Warum ist die Masse selbst des schwersten Neutrinos um mindestens sechs Größenordnungen kleiner als die des Elektrons, das wiederum fünf Größenordnungen leichter als das Top-Quark ist? Eine elegante Erklärung ist der See-Saw- (Klipp-Klapp-) Mechanismus, der genau deswegen möglich ist, weil Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sein können. Danach gibt es neben unseren "normalen" Neutrinos noch extrem schwere Partner, die um eben so viele Größenordnungen "zu schwer" sind wie unsere Neutrinos "zu leicht". In dem zugehörigen Formalismus drückt das schwere Neutrino die Masse des leichten wie auf einer Wippe zu kleinen Werten.

Sowohl unsere bekannten leichten Neutrinos wie auch die vermuteten schweren Partner müssten jeweils ihre eigenen Antiteilchen sein ("Majorana-Neutrinos"). Als Folge müssten bestimmte Atomkerne den "neutrinolosen Doppel-Betazerfall" aufweisen. Beim normalen Doppel-Betazerfall entstehen zugleich zwei Elektronen und zwei Neutrinos. Wenn jedoch gelegentlich das erste Neutrino gewissermaßen als Antineutrino reabsorbiert wird, verlassen nur zwei Elektronen den Kern. Dieser extrem seltene Zerfallsmodus wird weltweit fieberhaft gesucht, beispielsweise im GERDA-Projekt, denn in dem abgeschlossenen Heidelberg-Moskau-Experiment waren sogar Anzeichen dafür aufgetreten. Im Falle der Bestätigung würde dies sowohl die Majorana-Eigenschaft der Neutrinos als auch ihre Massen unabhängig von Oszillationsexperimenten nachweisen.

Ursprung der Materie im Universum

Mögliche Neutrino-Massenschemata.

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Mögliche Neutrino-Massenschemata, wobei der experimentelle Mischungsanteil der Elektron-, Myon- und Tau-Flavors in rot, grün und blau angegeben ist. Bisher ist nicht bekannt, ob der m₃ Zustand einen v_e-Anteil besitzt, ob das Massenschema "normal" oder "invertiert" ist, oder was der Absolutwert der Massen ist, denn Oszillationsexperimente zeigen nur Massenunterschiede.

Der See-Saw-Mechanismus ist bei Theoretikern beliebt, weil er wie nebenbei ein fundamentales kosmologisches Problem löst, nämlich den Überschuss an Materie über Antimaterie. Ohne diese Asymmetrie hätten sich Materie und Antimaterie kurz nach dem Urknall vollständig annihiliert, und es gäbe heute nur Photonen und Neutrinos im Universum. Die schweren "Klipp-Klapp-Partner" der leichten Neutrinos, die man wegen ihrer großen Masse im Labor nicht erzeugen kann, wären unter den extremen Bedingungen des frühen Universums entstanden. Ihre unvermeidlichen Zerfälle führen später zwanglos zur Materie-Antimaterie-Asymmetrie, und das ironischerweise gerade deshalb, weil sie ihre eigenen Antiteilchen sind!

Dieser als Leptogenese bekannte Mechanismus ist eines der heißesten Themen der theoretischen Neutrinophysik. Die im frühen Universum relevanten Parameter stehen in konkreten Theorien der Neutrinomassen und -mischungen meist mit Parametern in Verbindung, die in Oszillationsexperimenten oder im neutrinolosen Doppel-Betazerfall gemessen werden können. Somit kann man verschiedene teilchenphysikalische Modelle daran messen, ob sie den kosmischen Materieüberschuss erfolgreich erklären.

Ausblick

Eine wichtige Erweiterung des Standardmodells besteht in der "Supersymmetrie", die ihrerseits ganz neue Teilchen vorhersagt. Typischerweise führt dies auch zur Flavorverletzung, beispielsweise in Myonzerfällen, deren Rate dann stark von Neutrinoparametern abhängen kann. Teilchenbeschleuniger wie der Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf oder der zukünftige International Linear Collider werden weiterführende Erkenntnisse liefern. Präzisionsmessungen in der Neutrinophysik in Kombination mit den Quarkmassen und -mischungen versprechen langfristig wichtige Einblicke in die Struktur der zugrunde liegenden Massenmatrizen. Die beobachteten Regelmäßigkeiten legen fundamentale Zusammenhänge und neue Symmetrien nahe. Die speziellen Eigenschaften der Neutrinos testen aber auch spekulative Ideen etwa über zusätzliche Raumdimensionen oder Strings. Derartige Überlegungen führen dann auf die noch tiefer gehende Fragestellung, warum es überhaupt drei Teilchenfamilien gibt. Noch ist das Gesamtbild nicht absehbar, zu dem sich die neuen Erkenntnisse der Neutrinophysik und der Kosmologie und die erwarteten Entdeckungen an den neuen Teilchenbeschleunigern zusammenfügen werden.