GERDA sucht nach Beweis für fehlendes Antiteilchen

Neues Experiment soll Eigenschaften der Neutrinos weiter erforschen

GERDA-Detektor
GERDA-Detektor

Gran-Sasso (Italien) - Diese Woche wurde das GERDA-Experiment (Germanium Detector Array) im Labor unter dem Gran-Sasso-Massiv in Italien eingeweiht. Anhand des radioaktiven Zerfalls von Germanium wollen die Forscher herausfinden, ob Neutinos ihre eigenen Antiteilchen sind und sich damit gegenseitig vernichten können. Außerdem wollen die Wissenschaftler erstmals deren Masse direkt bestimmen.

Obwohl Neutrinos zu den häufigsten Teilchen im Universum zählen, sind sie nur sehr schwer nachzuweisen, das sie kaum mit anderen Materieteilchen wechselwirken. Bisher konnten Physiker nachweisen, dass Neutrinos eine kleine Masse haben, außerdem sollen sie keine Teilchen-Antiteilchen-Paare bilden. Damit wären sie anders als etwa Protonen und Antiprotonen oder Elektronen und Positronen, die sich in ihrer elektrischen Ladung unterscheiden und sich gegenseitig auslöschen. Neutronen sollen sich stattdessen trotz gleicher Ladung vernichten können. Dieses Phänomen ist auch als Majorana-Eigenschaft bekannt, benannt nach dem Physiker Ettore Majorana, der die entsprechende Theorie Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte.

Im GERDA-Experiment hoffen Wissenschaftler daher, den seltenen neutrinolosen Doppel-Betazerfall bei Germanium zu beobachten. Der Atomkern zerfällt dabei in zwei Protonen und gibt zwei Elektronen und zwei Neutrinos ab. Wenn die Theorien stimmen, müssten sich die Neutrinos in manchen Fällen gegenseitig auslöschen. Dann wäre nur die Aussendung der beiden Elektronen zu beobachten, die in diesem Fall die gesamte Energie tragen würden, die bei der Reaktion freigesetzt wird. Wenn die Neutrinos tatsächlich diese Eigenschaft zeigen, dann müsste sich auch ihre Masse aus dem theoretischen Modell bestimmen lassen. Mitte des Jahres konnten Forscher mit dem Experiment OPERA des Gran-Sasso-Labors zum ersten Mal beobachten, dass Neutrinos oszillieren, sich also von einer Neutrino-Art in eine andere umwandeln. Dieser Vorgang beweist, dass sie eine Masse haben, obwohl das im Standardmodell nicht vorgesehen war.

Der GERDA-Detektor arbeitet mit hochreinen Germanium-Einkristallen, die in einem sechs Meter hohen Tank, dem so genannten Kryostat, eingeschlossen sind. Der Kryostat ist gefüllt mit dem Edelgas Argon und zusätzlich in einen noch größeren Wassertank eingelassen, der Einflüsse von außen abschirmen soll. GERDA wird betrieben durch die internationale Zusammenarbeit von 15 Instituten aus Deutschland, Italien, Russland, der Schweiz, Polen und Belgien.

Mehr über die Eigenschaften der Neutrinos erfahren Sie in unseren Podcast-Folgen #62 und #63 zur Neutrinophysik.