OPERA-Experiment zeigt erste Neutrino-Oszillation

Wissenschaftler vom CERN und dem italienischen National Institute of Nuclear Physics haben erstmals direkt beobachtet, wie sich eine Art von Neutrinos in eine andere umwandelt.

OPERA-Detektor
OPERA-Detektor

Genf (Schweiz)/Gran Sasso (Italien) - Beobachtungen der so genannten Neutrino-Oszillation sind ein Nachweis dafür, dass Neutrinos eine Masse besitzen, obwohl sie laut Standardmodell masselos sein müssten. Die Forscher müssen nun das Experiment fortsetzen, um ihr Ergebnis durch mehrere gleiche Beobachtungen belegen zu können.

Neutrinos gibt es in drei Sorten: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Ihre Masse ist so gering, dass sie bei Zusammenstößen mit anderen Teilchen nicht messbar ist, deshalb setzte das Standardmodell die Masse gleich null. Experimente in den 1960er Jahren warfen allerdings Fragen auf, was die Natur der Teilchen angeht: Amerikanische Wissenschaftler stellten fest, dass in ihren Messungen weniger Elektronen-Neutrinos von der Sonne auf der Erde ankommen, als Berechnungen es voraussagten. Experimente von anderen Gruppen kamen zu dem gleichen Ergebnis. Kanadische Forscher erweiterten dann im Jahr 2002 das Zählprogramm, indem sie alle drei Arten von Neutrinos registrierten. Und tatsächlich stimmte nun die Anzahl mit den Voraussagen überein, allerdings hatten sich offenbar zwei Drittel der Elektronen-Neutrinos auf ihrem Weg zur Erde umgewandelt.

Die Umwandlung oder Oszillation ist jedoch nur dann möglich, wenn die Neutrinos sich in ihrer Masse unterscheiden, was voraussetzt, dass sie überhaupt Masse besitzen. Zum Beweis dieser Annahme mussten Wissenschaftler die Oszillation beobachtbar machen. Daten wie die des Superkamiokande-Detektors in Japan konnten das scheinbare Verschwinden der Neutrinos zeigen, allerdings nicht die Oszillation selbst.

OPERA hingegen ist ein "Appearance"-Experiment, welches das Auftauchen der umgewandelten Neutrinos zeigen kann. Dafür erzeugen Forscher am CERN in Genf seit 2007 Neutronen-Strahlen, die größtenteils aus Myon-Neutrinos und bestimmten kleinen Mengen von anderen Neutrinos bestehen. Die Strahlen werden in nur drei Millisekunden unterirdisch bis zum 730 Kilometer entfernten Labor des National Institute of Nuclear Physics (INFN) in Gran Sasso geschickt, wo sie auf einen Detektor treffen. Wenn die Myon-Neutrinos oszillieren, sollten auf dem Weg zusätzliche Tau-Neutrinos entstehen. Die erzeugen im Detektor Tau-Leptonen, welche wiederum nach kurzer Zeit in Myonen zerfallen. Über die Spuren der Myonen konnten die Forscher von CERN und INFN jetzt direkt nachweisen, dass eines der Myon-Neutrions sich auf dem Weg von Genf nach Italien in ein Tau-Neutrino umgewandelt hat.