Interview mit Achim Stahl über Neutrinooszillationen bei T2K

Kürzlich lieferte das T2K-Experiment in Japan den Nachweis dafür, dass sich Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos umwandeln. Welt der Physik sprach mit Achim Stahl von der RWTH Aachen, der an dem Experiment mitarbeitet.

Welt der Physik: Wie sind Sie am T2K-Experiment beteiligt?

Achim Stahl: Ich beschäftige mich seit vielen Jahren mit Neutrinos. Mein Institut arbeitet an mehreren Neutrinoprojekten mit. Eines davon ist das T2K-Projekt in Japan. Die Aachener Gruppe wird von Stefan Roth und mir geleitet. Zur Gruppe gehören neben uns ein Postdoc, drei Doktoranden und einige Studenten. Wir haben zum sogenannten Nahdetektor beigetragen, der den Neutrinostrahl an der Ostküste Japans vermisst, bevor die Neutrinos auf die etwa dreihundert Kilometer lange Reise geschickt werden. Wir haben das Fahrwerk gebaut, auf dem der tausend Tonnen schwere Nahdetektor ruht, und Monitorkammern entwickelt, die der Kalibration des Detektors dienen.

Ein Mann mit krausem, kurzem Haar sitzt lächelnd neben einem Geräteschrank und zeigt eine Platine, die er in den Händen hält.
Achim Stahl von der RWTH Aachen

Im T2K-Experiment werden unzählige Myon-Neutrinos durch Hunderte Kilometer Fels geschickt. Wie lässt sich zweifelsfrei feststellen, ob sich einzelne von ihnen auf dieser Strecke umgewandelt haben?

Ich möchte das in zwei Schritten erklären. Erstens: Woher wissen wir, dass die nachgewiesenen Neutrinos aus dem Strahl stammen? Der Strahl ist gepulst. Der Beschleuniger braucht eine gewisse Zeit, um die Teilchen, die den Neutrinostrahl erzeugen, zu sammeln und zu beschleunigen. Daraus entsteht ein kurzer Neutrinopuls. Über GPS können wir bestimmen, wann diese Neutrinopulse am Detektor ankommen. Im Puls messen wir Strahlneutrinos, zwischen den Pulsen den Untergrund an anderen Neutrinos.

Zweitens: Woher wissen wir, dass sich die Neutrinos umwandeln? Es gibt drei Sorten Neutrinos: Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tau-Neutrinos. Der Beschleuniger ist so optimiert, dass er nahezu ausschließlich Myon-Neutrinos erzeugt. Im Nahdetektor – 280 Meter hinter dem Start des Strahls – messen wir nach, wie die Zusammensetzung genau ist. Ausgehend von dieser Messung können wir ausrechnen wie viele Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos wir nach dreihundert Kilometern ohne Umwandlung erwarten. Wir erwarten neben den vielen Myon-Neutrinos einen kleinen Beitrag an Elektron-Neutrinos, den wir als Untergrund berücksichtigen. Tau-Neutrinos sind vernachlässigbar. Was wir aber nach dreihundert Kilometern messen sind sehr viel mehr Elektron-Neutrinos und zu wenige Myon-Neutrinos. Daraus schließen wir, dass sich manche Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos umgewandelt haben.

Ansicht eines großen Tunnelschachtes von oben. Unten ist eine große Maschine aus schweren Eisenträgern und mit vielen Kabeln zu sehen, um die herum eine Eisentreppe und Laufwege führen.
Der Nahdetektor des T2K-Experiments

Vor einigen Jahren hat man bereits die Umwandlung von Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos beobachtet. Inwieweit unterscheidet sich die jetztige Entdeckung?

Das war das OPERA-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor, das die Beobachtung eines solchen Ereignisses bekannt gegeben hatte. Auf der Conference on High Energy Physics der European Physical Society, auf der ich gerade in Stockholm bin, hat die OPERA-Kollaboration vermeldet, dass sie mittlerweile drei solcher Ereignisse identifiziert hat. Allerdings gibt es auch in diesem Experiment Untergrund, und es ist nicht zweifelsfrei klar, dass die drei Ereignisse nicht vom Untergrund herrühren. Wir Wissenschaftler drücken das in „Sigmas“ aus. Je mehr Sigmas, desto sicherer ist das Ergebnis. Man braucht mindestens fünf Sigma, um eine Entdeckung zu behaupten. Mit dem dritten Ereignis hat OPERA jetzt drei Sigma erreicht, also noch zu wenig. Mit T2K haben wir die fünf Sigma überschritten.

Macht die jetztige Beobachtung neue Erklärungen erforderlich oder ist sie eine erwartete Bestätigung der aktuellen Theorien?

Das kann man heute noch nicht sagen. Die Umwandlungsrate, die wir bei T2K beobachtet haben, ist deutlich höher als die Erwartung. Das könnte ein Anzeichen für die Verletzung der CP-Symmetrie sein, aber es ist noch viel zu früh, um dies sagen zu können. Das Hauptproblem ist eigentlich, dass wir die Neutrinoumwandlungen zwar mathematisch beschreiben können, aber nicht verstehen, was dahinter steht. Woher kommt die Neutrinomasse, die für die Umwandlung zwingend nötig ist? Warum sind die Massen so viele Größenordnungen kleiner als die der anderen Elementarteilchen? Sind Neutrinos und Antineutrinos identisch? Gibt es nur die bekannten drei Neutrinos oder noch weitere sogenannte sterile Neutrinos?

Für welche offenen Fragen der Physik sind diese Erkenntnisse hilfreich?

Sechs Kugeln zu je drei in zwei Reihen. In der oberen Reihe eine große, dann zwei kleinere Kugeln, in der unteren zwei große, dann eine kleinere Kugel. Die große Kugel in der ersten Reihe gleicht farblich der kleinen in der zwiten Reihe. Genauso gleichen sich jeweils die beiden kleinen in der ersten Reihe mit den beiden großen in der zweiten Reihe.
Massenhierarchien der Neutrinos

Zur Zeit muss man wohl eingestehen, dass die Neutrinos mehr neue Fragen aufwerfen, als dass sie alte lösen. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass es eine Verbindung zwischen den Neutrinos und der Frage nach dem Schicksal der Antimaterie in der Entwicklung des Universums gibt, aber bewiesen ist das nicht. Klar ist ferner, dass die Neutrinos zur Dunklen Materie beitragen, aber klar ist auch, dass sie nur einen Teil der Dunklen Materie darstellen – vermutlich einige Prozent.

Was ist der nächste Schritt in der Erforschung der Neutrinos und ihrer Eigenschaften?

Wir wissen mittlerweile, wie groß die Unterschiede in der Masse zwischen den drei bekannten Neutrinos sind, aber wir wissen noch nicht, wie sie sortiert sind: Es gibt zwei mögliche Massenspektren. Welches von beiden richtig ist – das gilt es, in einem nächsten Schritt herauszufinden. Im Süden Chinas sind wir im Begriff, ein Experiment aufzubauen, um diese Fragestellung anzugehen.

 

 

Verletzung der CP-Symmetrie

Die CP-Symmetrie besagt, dass sich die physikalischen Gesetzmäßigkeiten nicht verändern, wenn man die Materie gegen Antimaterie austauscht und das gesamte System räumlich spiegelt. Prozesse, bei denen eine Verletzung dieser CP-Symmetrie nachgeweisen wird, zeigen also Unterschiede im Verhalten von Materie und Antimaterie. Sie liefern damit wichtige Hinweise auf die Frage, warum unser Universum fast ausschließlich aus Materie zu bestehen scheint, obwohl in einem CP-symmetrischen Universum Antimaterie in gleicher Menge vorhanden sein müsste.

1980 ging der Physiknobelpreis an Forscher, die beim Zerfall von neutralen Kaonen eine CP-Verletzung nachgewiesen hatten. Die Frage, ob auch Neutrinooszillationen die CP-Symmetrie verletzen, ist derzeit noch offen.