Atomkernkandidaten für neue Neutrino-Experimente

Mit einer Ionenfalle haben Forscher die Massenunterschiede von Atomkernen sehr präzise bestimmt - Zerfall eines Gadolinium-Isotops könnte klären, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist

Shiptrap
Shiptrap

Darmstadt - Die Ionenfalle Shiptrap des Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung GSI in Darmstadt kann Unterschiede in der Teilchenmasse 20-mal präziser messen als andere Geräte. Mit einer solchen Genauigkeit ließe sich theoretisch nachweisen, ob ein Passagier in einem Jumbo-Jet eine Euro-Münze in der Tasche hat oder nicht. Den Forschern hat Shiptrap dabei geholfen, einen Atomkern zu finden, bei dem ein extrem seltener radioaktiver Zerfallsprozess beobachtet werden könnte. Der Nachweis würde eine große Frage der Teilchenphysik beantworten: Ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen?

Bei dem Prozess handelt es sich um den neutrinolosen Doppel-Elektroneneinfang. Bei einem einfachen Einfang "schluckt" ein Proton aus dem Atomkern ein Elektron aus der Hülle und zerfällt unter der Aussendung eines Neutrinos zu einem Neutron. Der Doppel-Elektroneneinfang ist wesentlich seltener, hier erlaubt die Kernstruktur nur die Aufnahme von zwei Elektronen gleichzeitig. So entstehen auch zwei Neutrinos. Wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist, könnten sich die beiden Neutrinos gegenseitig auslöschen und der Zerfall würde als neutrinolos beobachtet werden. Der neutrinolose Doppel-Elektroneneinfang kommt umso häufiger vor, je besser die Energien des Atomkerns vor und nach dem Zerfall übereinstimmen. Dies ist gegeben, wenn sich die Massen von Mutter- und Tochterkern möglichst ähnlich sind. Die Wahrscheinlichkeit für den gesuchten Zerfall erhöht sich dadurch um mehrere Zehnerpotenzen gegenüber anderen Atomkernen, Wissenschaftler nennen diesen Effekt "resonante Verstärkung".

Forscher der GSI, der Universität Greifswald und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg vermaßen mit Shiptrack die Kreisbahn von Ionen, die sich im Magnetfeld der Falle bewegten. Daraus konnten sie die Massen- und damit auch die Energiedifferenz ermitteln. Dabei stellten sie fest, dass das Gadolinium-Isotop mit der Massenzahl 152 (Gd-152), welches in das Samarium-Istotop Sm-152 zerfällt, der aussichtsreichste Kandidat für den neutrinolosen Doppel-Elektroneneinfang ist. Die Halbwertszeit des Isotops liegt allerdings bei einer Größenordnung von 10 hoch 26 Jahren. Um den Zerfall beobachten zu können, müssen Experimente mit sehr vielen Gadolinium-Atomen durchgeführt werden.

Als aussichtsreichste Methode, um die Teilchen-Antiteilchen-Frage des Neutrinos zu klären, gilt zur Zeit das GERDA-Experiment im italienischen Untergrundlabor Gran Sasso. GERDA soll des neutrinolosen Doppel-Betazerfalls nachweisen, bei dem ebenfalls zwei Neutrinos entstehen, und zwar durch den Zerfall von zwei Neutronen eines Germanium-Kerns in zwei Protonen.