Ein Mensch steht in einer glänzend-metallenen Halle neben einem großen, stumpf-metallenen Zylinder.

Mit GERDA auf der Suche nach einem seltenen Zerfall

Bislang gibt es keinen überzeugenden experimentellen Nachweis für den extrem seltenen neutrinolosen Doppelbetazerfall. Fände man ihn allerdings, dann wäre klar, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. In unserem Podcast haben wir mit Peter Grabmayr von der Universität Tübingen gesprochen, der im GERDA-Experiment nach diesem Zerfall sucht. Den Beitrag gibt es hier zum Nachlesen.

Peter Grabmayr: „Beim einfachen Betazerfall zerfällt das Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Neutrino – genaugenommen ein Antineutrino.“

Dieser einfache Betazerfall lässt sich sowohl bei freien als auch in Atomkernen gebundenen Neutronen beobachten. Bei einigen Kernen kommt es sogar zum doppelten Betazerfall: Gleich zwei Neutronen darin wandeln sich in Protonen um, zwei Elektronen und zwei Antineutrinos werden ausgesendet. Hierbei vermuten Theoretiker auch einen Spezialfall – den neutrinolosen Doppelbetazerfall:

„Würde man sich das bildlich und vereinfacht vorstellen, dann liefe eines der Antiteilchen aus dem Kern hinaus, um dann umzudrehen und wieder in den Kern hineinzulaufen – es bleibt virtuell. Nur die beiden Elektronen werden emittiert.“

Beim Betazerfall entsteht aus einem Neutron ein Proton – zusammen mit einem Elektron und einem Neutrino. Bei zwei gleichzeitigen Zerfällen können sich die Neutrinos gegenseitig auslöschen, wenn das Neutrino seinem Antiteilchen entspricht. Aus dem Atomkern entkommen dann nur die beiden Elektronen.
Doppelter Betazerfall

Virtuell heißt, die Teilchen sind einer Messung nicht zugänglich: Sie existieren nicht in der realen Welt. Aus diesem Grund können sie auch keine Energie aus der Reaktion aufnehmen. Dieser Umstand prägt dem neutrinolosen doppelten Betazerfall eine eindeutige Signatur auf – ein charakteristisches Energiespektrum der bei der Reaktion emittierten Elektronen:

„Beim einfachen Betazerfall führt dies zu einem kontinuierlichen Spektrum. Ebenso würde beim doppelten Betazerfall mit Neutrinos ein kontinuierliches Spektrum entstehen. Wenn aber keine Neutrinos emittiert werden, dann tragen die beiden Elektronen die gesamte Energiedifferenz zwischen Anfangs- und Endzustand.“

Um den neutrinolosen doppelten Betazerfall nachzuweisen, suchen Forscher also nach Elektronenpaaren mit ganz bestimmten Energiewerten. Für ihre Experimente eignen sich solche Atomkerne am besten, bei denen der einfache Betazerfall aus Energiegründen nicht möglich ist – wie zum Beispiel im Fall des Isotops Germanium-76. Die gesuchte Reaktion würde allerdings äußerst selten auftreten.

„Nimmt man zwei Kilogramm Detektormaterial, so hat man etwa 1026 Atomkerne vorliegen. Davon zerfällt einer im Jahr.“

Bereits seit den 1960er-Jahren versuchen Physiker den neutrinolosen doppelten Betazerfall in diesem Element nachzuweisen. Am bekanntesten ist das Heidelberg-Moskau-Experiment, in dem Detektoren mit rund zehn Kilogramm Germanium über mehrere Jahre betrieben wurden.

„Dort wurden elf Ereignisse gefunden, aber die Interpretation eines Teils der Forschergruppe wird angezweifelt.“

In einem Aufbau, der rund fünf Menschengrößen hoch ist, befindet sich in einem großen Wassertank, ein Tank für flüssiges Argon, in dem über einen Aufzug Germaniumproben eingelassen sind. In Containern links neben dem Aufbau befinden sich in drei Stockwerken von unten nach oben: Wasseraufbereitung und Radon-Monitor, der Kontrollraum, Kühltechnik und Elektronik. Oberhalb des Aufbaus befindet sich ein Reinraum mit einer Schleuse.
Aufbau von GERDA

Deshalb versuchen gleich mehrere Forschergruppen rund um den Globus mit verschiedenen Methoden die Ergebnisse des Heidelberg-Moskau-Experiments zu reproduzieren. Seit dem 1. November 2011 hat auch ein internationales Team – zu dem auch Peter Grabmayr gehört – am GERmanium Detector Array, kurz GERDA, mit Messungen begonnen.

„Das GERDA-Experiment hat als erstes Ziel, den neutrinolosen doppelten Betazerfall nachzuweisen. Das wäre im Energiespektrum eine Linie bei der richtigen Energie.“

Um die Elektronenpaare mit der „richtigen Energie“ eindeutig nachzuweisen, müssen alle äußeren Störquellen – kosmische Strahlung sowie die natürliche Radioaktivität der Umgebung – bestmöglich abgeschirmt werden. Bei GERDA hängen die Germaniumdetektoren an dünnen Drähten in einem Kühlmittel aus flüssigem Argon, das wiederum von hochreinem Wasser umgeben ist – und das alles unter einem 1400 Meter hohen Gebirgsmassiv in Italien. Durch diese Maßnahmen können die störenden Signale drastisch reduziert oder, wie Physiker sagen, es kann ein sehr niedriger Untergrund erreicht werden. Im Vergleich zum Heidelberg-Moskau-Experiment sind die GERDA-Detektoren um ein Vielfaches empfindlicher.

„Dadurch, dass unser Design zehnmal weniger Untergrund aufweist, wird vom GERDA-Experiment innerhalb wesentlich kürzerer Zeit ein signifikantes Ergebnis erwartet.“

Im ersten Jahr Messzeit und mit 18 Kilogramm Germanium wollen Peter Grabmayr und seine Kollegen das Ergebnis des Heidelberg-Moskau-Experiments überprüfen. Ließe sich der neutrinolose Doppelbetazerfall tatsächlich nachweisen, wäre das nicht mit dem Standardmodell der Teilchenphysik zu erklären. Denn die Reaktion setzt voraus, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Laut dem Standardmodell sind aber Teilchen und Antiteilchen zwei völlig unterschiedliche Dinge.

Wären Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen, käme das Teilchen bereits ein zweites Mal mit dem Standardmodell der Teilchenphysik in Konflikt. Denn nach diesem Modell dürfte das Neutrino auch keine Masse besitzen. Experimente zeigten allerdings das Gegenteil. Deswegen sind heutzutage alle Theoretiker überzeugt, dass das Standardmodell erweitert werden muss:

Abbildung der GERDA-Germaniumdetektoren. Viele metallische Zylinder in einer Halterung.
Germaniumdetektoren von GERDA

„Die Theoretiker sind schon fleißig dabei, verschiedene Szenarien durchzuspielen: neue Dimensionen einzuführen, Supersymmetrie zu fordern, also neue, zusätzliche Teilchen vorzugeben. Die Frage ist nur, welche die richtige Erweiterung ist, und in diesem Zusammenhang könnte der Nachweis des neutrinolosen doppelten Betazerfalls eine Hilfe sein, welche Modelle die richtigen sind.“

2013 erwarten die GERDA-Forscher erste Ergebnisse. Danach wird das Experiment aufgerüstet:

„In einer zweiten Phase wollen wir zusätzlich zwanzig Kilogramm an neuen Detektoren einbringen, bei denen eine neue Technologie eine bessere Untergrunddiskriminierung erlaubt, und dadurch noch einmal sensitiver werden.“

Würden die Forscher dann genügend neutrinolose Doppelbetazerfälle nachweisen, könnten sie aus den Ergebnissen auch auf die Masse der Neutrinos schließen und diese deutlich besser eingrenzen als bisher möglich. Dieser Fortschritt wäre für viele Bereiche der Physik von großer Bedeutung – etwa für kosmologische Modelle, in denen der Beitrag der Neutrinos zur gesamten Masse im Universum eine wichtige Rolle spielt. Zunächst einmal muss der neutrinolose Doppelbetazerfall aber überhaupt nachgewiesen werden – ob nun von GERDA oder von einem der anderen Neutrino-Experimente.