Verschwundene Neutrinos

Als Wissenschaftler Neutrinos aus der Sonne oder der Atmosphäre zählten, zeigten sich weit weniger, als sie erwartet hatten. Die Teilchen entwischten ihnen, weil sie sich ineinander umwandeln.

Anderthalb Kilometer tief unter die Erde stiegen Wissenschaftler in den 1960er-Jahren hinab, um Vorgänge in der Sonne zu untersuchen. Dort, abgeschieden und befreit von äußeren Störeinflüssen, begannen sie, Neutrinos zu zählen. Damit wollten sie überprüfen, ob sie die Prozesse in der Sonne richtig verstanden hatten. Diese werden im sogenannten Standard-Sonnenmodell beschrieben, das nicht nur erklärt, wie unser Planet mit Energie und Licht versorgt wird, sondern zudem recht genaue Angaben darüber macht, wie viele Neutrinos mit welcher Energie dabei entstehen.

Die brodelnde orange-gelbe Oberfläche der Sonne.
Die Sonne: Quelle unzähliger Neutrinos

Diese nicht ganz leichte Aufgabe übernahm ein Team um den Physiker Raymond Davis. Dazu ließen die Wissenschaftler in der ehemaligen Homestake-Goldmine in South Dakota einen Tank mit 615 Tonnen des Reinigungsmittels Tetrachlorethylen füllen. Ausschau hielten die Forscher nach radioaktiven Argonatomen, die entstehen können, wenn Neutrinos von der Sonne auf die Chloratomkerne des Reinigungsmittels treffen. Dies geschieht überaus selten.

Da aber in jeder Sekunde 65 Milliarden Neutrinos pro Quadratzentimeter von der Sonne auf der Erde ankommen, erwarteten die Forscher, dass sich pro Monat rund zehn dieser Argonatome im Tank ansammeln. Diese galt es, bevor sie nach im Mittel 38 Tagen wieder zerfallen, unter 2000 Milliarden Milliarden Milliarden Chloratomen zu finden. Das entspricht der Suche nach einer Stecknadel auf einer Fläche, die so groß ist wie diejenige, die von der Erde bei ihrem Umlauf um die Sonne umkreist wird. Doch das Experiment gelang und lief von den späten 1960er-Jahren bis zum Jahr 1994.

Mit dem Ergebnis von Homestake hatte jedoch niemand gerechnet. Denn es gaben sich nur etwa ein Drittel der erwarteten Neutrinos zu erkennen; Fehlanzeige für den Rest. Die Forscher gingen auf Ursachensuche für die enorme Diskrepanz: Funktionierte die Nachweismethode nicht richtig? Hatte man die Prozesse in der Sonne falsch verstanden? Oder passiert etwas mit den Teilchen auf ihrem Weg zur Erde? Die experimentelle Zählmethode wurde gründlich überprüft und immer präziser.

Diagramm, das die Zahl der vermissten Neutrinos darstellt. Homestake: minus 68 Prozent, Super-Kamiokande: minus 59 Prozent, SAGE: minus 47 Prozent, Gallex: minus 45 Prozent
Neutrinoschwund in Zahlen

Auch das theoretische Modell der Prozesse in der Sonne wurde gründlich untersucht. Hätte es die Temperatur im Sonneninneren nur um fünfzig Prozent überschätzt, wäre wegen der sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagierenden Neutrinoerzeugung die Diskrepanz erklärbar. Doch die in anderen Bereichen vortrefflichen Ergebnisse des Sonnenmodells deuteten darauf hin, dass es die Temperatur im Inneren der Sonne auf besser als zehn Prozent genau beschrieb. Die Diskrepanz in der Rate der beobachteten Sonnenneutrinos blieb und brauchte damit einen Namen: das Sonnenneutrino-Problem.

Und es wurde nicht besser. 1989 bestätigte eine Forschergruppe um Masatoshi Koshiba am Kamiokande-Experiment in Japan den Neutrinoschwund aus der Sonne. Bei diesem Experiment kam ein riesiger Tank mit reinem Wasser zum Einsatz, in dem Neutrinos Elektronen erzeugen können, die über Lichtblitze nachgewiesen werden. Da sich damit sogar die Herkunftsrichtung der Neutrinos messen ließ, konnte zum ersten Mal eine Aufnahme der Sonne im „Neutrino-Licht“ angefertigt werden. Auch das Kamiokande-Experiment und sein Nachfolger Super-Kamiokande stellten fest, dass etwas über die Hälfte der erwarteten Teilchen fehlte.

In den 1990er-Jahren hatten sich zwei weitere Experimente aufgemacht, Sonnenneutrinos zu zählen: das deutsch-italienische GALLEX-Experiment, das tief unter dem italienischen Gran-Sasso-Massiv liegt, und das russisch-amerikanische SAGE-Experiment in einem Bergstollen im Kaukasus. Beide Experimente konzentrierten sich auf Neutrinos in einem anderen Energiebereich und kamen dort ebenfalls nur auf etwas mehr als die Hälfte der vorhergesagten Mengen. Damit stand fest: An den Experimenten hier auf Erden konnte das Fehlen der Neutrinos nicht liegen und Raymond Davis sowie Masatoshi Koshiba durften sich 2002 über einen Nobelpreis für ihre Entdeckungen freuen.

Neutrinos aus der Sonne, dargestellt als konzentrische Kreise.
Neutrinos aus der Sonne

Kurz vor der Nobelentscheidung, im April 2002, hatten Forscher am kanadischen Sudbury Neutrino Observatory, kurz SNO, ihre ersten Ergebnisse bekannt gegeben, die neues Licht auf die Ursache des Sonnenneutrino-Problems warfen. In diesem Experiment – ebenfalls tief unter der Erde – kommen tausend Tonnen schweren Wassers zum Einsatz. Bei schwerem Wasser sind die beiden Wasserstoffatome durch eine Form des Wasserstoffs mit einem zusätzlichen Neutron ersetzt.

Aber anders als die vorherigen Experimente, die nur sogenannte Elektron-Neutrinos zählten, erweitere man in Sudbury das Zählprogramm auf alle drei Neutrinotypen, also auf Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Mit Erfolg. Denn es stellte sich heraus, dass die Gesamtzahl der Sonnenneutrinos mit der Zahl übereinstimmte, welche die theoretischen Berechnungen ergaben. Ein Drittel davon kam als Elektron-Neutrino an, aber bei zwei Dritteln musste es sich um andere Typen handeln. So lag der Schluss nahe, dass sich die im Inneren der Sonne entstehenden Elektron-Neutrinos auf dem Weg durch die Sonne und zur Erde in die anderen Neutrinosorten umwandeln.

Ursachen für den massiven Neutrinoschwund

Ob Homestake, Gallex, SAGE oder Kamiokande beziehungsweise Super-Kamiokande – alle Experimente hatten gezeigt, dass Elektron-Neutrinos auf der Strecke bleiben. Keines der Experimente hatte jedoch nachgewiesen, was mit den Teilchen geschieht. Ein Erklärungsansatz, den Bruno Pontecorvo und Vladimir Naumovich Gribov schon unmittelbar nach den ersten Ergebnissen des Homestake-Experiments im Jahr 1969 vorschlugen, erschien den meisten Teilchenphysikern zunächst zu exotisch: Entsprechend einer Idee der japanischen Physiker Ziro Maki, Masami Nakagawa und Shoichi Sakata sollten sich verschiedene Neutrinoarten ineinander umwandeln können.

Die Ergebnisse von SNO waren nun der Beweis, dass tatsächlich keine der in der Sonne entstandenen Neutrinos verloren gehen, sondern diese sich auf dem Weg zur Erde über sogenannte Neutrinooszillationen in andere Arten umwandeln. Für diesen eindeutigen Beweis von Neutrinoumwandlungen erhielt der Leiter des Experiments, Arthur McDonald 2015 den Nobelpreis für Physik.

Es sind drei „Schwebungskurven“ zu sehen. Die Wahrscheinlichkeiten für Myon- und Tau-Neutrinos schwingen mit hoher Frequenz, die Wahrscheinlichkeit für ein Elektron-Neutrino mit weit geringerer Frequenz.
Neutrinooszillation

Bei der Neutrinooszillation handelt es sich um ein quantentheoretisches Phänomen, bei dem sich etwas in regelmäßigen Abständen als Myon-Neutrino oder Tau-Neutrino entpuppen kann, das zunächst als Elektron-Neutrino erzeugt wurde (und umgekehrt). Wenn man beispielsweise beim Nachweis von Sonnenneutrinos, die dort zu hundert Prozent als Elektron-Neutrinos entstehen, im Labor ebenfalls nur für Elektron-Neutrinos empfindlich ist, so bleiben die unterwegs entstandenen Myon- und Tau-Neutrinos außen vor – und man misst weniger Elektron-Neutrinos als erzeugt wurden.

Umgekehrt können sich ursprünglich vorhandene Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos oder Elektron-Neutrinos umwandeln. Myon-Neutrinos lassen sich künstlich in Teilchenbeschleunigern erzeugen, sie entstehen aber auch natürlich beim Auftreffen kosmischer Strahlung auf die Erdatmosphäre. Auch für diese atmosphärischen Neutrinos kann das Super-Kamiokande-Experiment die Flugrichtung messen und so feststellen, ob sie auf dem kürzesten Weg von oben in den Detektor gelangen oder vorher ein Reise von über 12 000 Kilometer durch die Erde zurückgelegt haben. 1998 zeigte eine Forschergruppe um Takaaki Kajita mit Super-Kamiokande, dass umso mehr Myon-Neutrinos fehlen, je länger ihre Reise war. Genau das erwartete man bei Umwandlungen von Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos.

Auch Ergebnisse mit künstlich erzeugten Neutrinos ergaben ähnliche Ergebnisse und können auf diese Weise mit Neutrinoumwandlungen erklärt werden. Es dauerte jedoch noch bis zum Jahr 2004, bis sich das erste Mal tatsächlich Oszillationen, also das regelmäßige Verschwinden und Wiederauftauchen derselben Neutrinosorte am Experiment KamLAND in Japan abzeichneten. Mit den bis 2008 aufgenommenen Daten konnte dieses Experiment, das an derselben Stelle wie der ursprüngliche Kamiokande-Detektor die Elektron-Antineutrinos von 53 umliegenden japanischen Kernkraftwerken misst, die Oszillationen auf eindrucksvolle Weise unzweifelhaft nachweisen.

Ein Diagramm auf dem Datenpunkte recht genau mit einer blauen Linie zusammenfallen, die zwei Maxima hat.
Neutrinooszillation bei KamLAND

Bei OPERA wurde 2010 zum ersten Mal ein Tau-Neutrino in einem Teilchenstrahl gesichtet, das ursprünglich nur aus Myon-Neutrinos bestand. Diese Myon-Neutrinos wurden dazu eigens bei CERN in der Nähe von Genf erzeugt und auf eine 732 Kilometer lange Reise zum unterirdischen Physiklabor LNGS in Italien geschickt. Dieses Labor befindet sich 120 Kilometer östlich von Rom und wird seit 1987 von internationalen Forschergruppen genutzt.

Unter dem Gran-Sasso-Massiv wird in einem gewaltigen Detektor nachgewiesen, ob sich in dem zunächst reinen Myon-Neutrino-Strahl Tau-Neutrinos befinden. Die Datennahme begann im Sommer 2006 und endete im Dezember 2012. Ende Mai 2010 gab die Gruppe die Sichtung eines ersten Kandidaten für ein Tau-Neutrino bekannt, das 732 Kilometer zuvor noch ein Myon-Neutrino war. Bis Juni 2015, nach sorgfältiger Auswertung aller Daten, wurden insgesamt fünf solcher Kandidaten gefunden und damit die Umwandlung zweifelsfrei nachgewiesen.

Neutrinowaagen

Mit ausgeklügelten Techniken gelang es währenddessen auch Super-Kamiokande im Mai 2013, das Auftauchen von Tau-Neutrinos durch Umwandlung aus atmosphärischen Myon-Neutrinos eindeutig nachzuweisen. Die Gruppe um Takaaki Kajita fand dabei sogar 180 solcher Umwandlungen. Die Entdeckung dieser atmosphärischen Neutrino-Umwandlungen wurde 2015 mit dem Nobelpreis an Takaaki Kajita gewürdigt.

Über die Neutrinooszillation ließ sich den Neutrinos ein weiteres Geheimnis entlocken. Das Phänomen ist nämlich nur möglich, wenn die Teilchen unterschiedliche Massen besitzen. Die Massen der Neutrinos sind so gering, dass bisher selbst die genauesten Messungen von Stößen von Neutrinos mit anderen Teilchen keinen Unterschied zur Masse Null ausmachen konnten. Im Standardmodell der Teilchenphysik wurden die Neutrinos daher auch als masselos angenommen.

Die Entdeckung der Neutrinooszillation beweist jedoch, dass die drei Neutrinotypen unterschiedliche und damit von Null verschiedene Massen besitzen. Weitere Experimente – wie zum Beispiel KATRIN oder GERDA – könnten es möglich machen, schließlich die genauen Werte der Neutrinomassen zu bestimmen, während man bisher nur ihre Differenzen kennt.