Erster Hinweis auf Umwandlung von Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos

Wissenschaftler in Japan messen sechs Elektron-Neutrinos, die ursprünglich als Myon-Neutrinos erzeugt wurden

Das T2K-Experiment
Das T2K-Experiment

Tsukuba (Japan) - Im Standardmodell der Teilchenphysik existieren drei Sorten von Neutrinos: Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tau-Neutrinos. Wissenschaftler glauben, dass sich die verschiedenen Arten ineinander umwandeln können durch sogenannte Neutrinooszillationen. Dabei handelt es sich um ein quantenmechanisches Phänomen, bei dem die Neutrinos ihren "Flavour" - ihre Sorte - ändern. Im Rahmen des Tokai to Kamioka-Experiments (T2K) haben Forscher nun Elektron-Neutrinos gemessen, die ursprünglich als Myon-Neutrinos erzeugt wurden. Beobachtungen von Neutrinooszillationen setzen eine Neutrinomasse voraus und widersprechen demnach der Annahme von Neutrinos als masselose Teilchen.

Das T2K-Experiment ist ein Kollaborations-Projekt unter der Beteiligung des Teilchenbeschleunigers J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) in Tokai und dem 295 Kilometer entfernten Super-Kamiokande-Detektor in Kamioka. Ein Myon-Neutrinostrahl wird am J-PARC erzeugt und verläuft unterirdisch bis nach Kamioka. Dort untersuchen Wissenschaftler die auftreffenden Neutrinos auf ihren Flavour. Der Super-Kamiokande-Detektor besteht aus einem mit 50.000 Tonnen Wasser gefüllten Tank und befindet sich einen Kilometer unter der Erde. Die Neutrinos fliegen dort durch das Wasser und erzeugen sogenanntes Tscherenkow-Licht. Mit etwa 11.200 Lichtsensoren wird das sehr schwache Licht gemessen und gibt Auskunft über Art des Neutrinos.

Die Wissenschaftler des T2K-Experimentes haben seit Beginn der Messungen im Januar 2010 bis März 2011, als die Messungen wegen des Erdbebens in Japan unterbrochen werden mussten, 88 Neutrinos gemessen, von denen sechs eindeutig als Elektron-Neutrinos identifiziert wurden. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ihre Ergebnisse zufällig aus Hintergrundrauschen oder Messfehlern ergeben haben, konnten die Physiker auf 0,7 Prozent abschätzen. Zu 99,3 Prozent Wahrscheinlichkeit hatten sich also sechs Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos umgewandelt. Vor etwa einem Jahr haben Wissenschaftler im unterirdischen Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italien auf ähnliche Wiese bereits die Umwandlung von Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos beobachten können.

Theorien zufolge besitzt ein Neutrino keine wohldefinierte Masse, sondern ist eine quantenmechanische Überlagerung der drei Neutrinoarten mit verschiedenen Massen. Diese Mischung der Neutrinos aus unterschiedlichen Massezuständen beschreiben die Physiker mit Mischungswinkeln. Auf langen Wegen können die verschiedenen Massezustände eines Neutrinos unterschiedliche quantenmechanische Phasen haben, dadurch wandelt sich zum Beispiel ein Myon-Neutrino in ein Elektron-Neutrino um. Die Umwandlungswahrscheinlichkeit hängt dabei vom Mischungswinkel ab. Wäre dieser null, so wäre auch die Wahrscheinlichkeit einer Umwandlung null.

Die Messungen des T2K-Experimentes weisen nun darauf hin, dass der Mischungswinkel, der die Übergangswahrscheinlichkeit eines Myon-Neutrinos in ein Elektron-Neutrino angibt, nicht null ist. Ein solches Ergebnis könnte erklären, warum in unserem Universum mehr Materie als Antimaterie zu beobachten ist: Wissenschaftler vermuten, dass die quantenmechanische Mischung der Neutrinomassen dazu führte, dass im frühen Universum Neutrinos vorzugsweise in Teilchen des Standardmodells statt in ihre Antiteilchen zerfielen.