Neutrinooszillation bestätigt

Das hatte zum Glück der Physiker am OPERA-Experiment noch gefehlt: das fünfte Tau-Neutrino. Schon 2010 konnten die Forscher solch ein Teilchen in einem Strahl identifizieren, der ursprünglich aus Myon-Neutrinos bestand. Drei weitere solche Ereignisse folgten. Jetzt hat das Team das gesuchte Teilchen zum fünften Mal gemessen und damit die Signifikanz-Grenze von fünf Sigma geknackt. Das heißt, es gilt jetzt physikalisch als gesichert, dass es eine Oszillation (quantenmechanische Umwandlung) von Myon- zu Tau-Neutrinos gibt.

Bild eine großen Detektors mit Gerätschaften davor in einer Halle.
OPERA-Detektor

„OPERA liefert jetzt ein wichtiges noch ausstehendes Puzzleteil zum Gesamtbild“, sagt Caren Hagner, Projektleiterin der deutschen OPERA-Gruppe von der Universität Hamburg. „Die Ergebnisse haben die Erkenntnisse um die Neutrinooszillationen nochmals in einem wichtigen Punkt bestätigt. Das Standardmodell muss um Neutrinomassen erweitert werden.“

Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt die Neutrinooszillation nicht voraus. Im Gegenteil, laut Modell sind Neutrinos masselos. Um sich ineinander umwandeln zu können, müssen Neutrinos allerdings eine Massendifferenz aufweisen – und eine Massendifferenz wieder ist nur möglich, wenn die Massen nicht null sind. Die ersten Zweifel kamen auf, als Forscher aus den USA in den 1960er Jahren die von der Sonne ausgesandten Elektron-Neutrinos auf der Erde messen wollten und dabei nur einen Bruchteil der vorhergesagten Teilchen finden konnten. Deshalb überprüften sie zunächst ihre Messmethode und die Berechnung der Teilchenanzahl. Inzwischen weiß man, dass beides korrekt war. Denn die Elektron-Neutrinos kommen nicht alle auf der Erde als solche an. Etwa zwei Drittel wandeln sich auf dem Weg von der Sonne zur Erde in andere Neutrinoarten um.

Die Neutrinooszillation ist ein quantenmechanisches Phänomen, bei der sich ein Neutrino in regelmäßigen Abständen als eins der drei bekannten Typen zeigt: Elektron-, Myon- oder Tau-Neutrino. Das Experiment OPERA startete 2006 und war ausschließlich darauf ausgerichtet, die bis dahin noch nicht direkt gemessene Oszillation von Myon- zu Tau-Neutrino zu finden. Dafür schossen Physiker einen Strahl aus Myon-Neutrinos von einem Teilchenbeschleuniger am CERN in Genf 732 Kilometer weit durch die Erde bis zum Detektor im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor LNGS. Hier wollten sie Tau-Neutrinos nachweisen und so den Umwandlungsprozess belegen. Die Datennahme hat 2012 geendet, aber bis heute werten Physiker die Messungen aus. Mit dem entdeckten fünften Tau-Neutrino haben sie nun erstmals statistisch die Umwandlung dieser Neutrinos belegt. Dieses Ergebnis lässt sich nach dem derzeitigen Kenntnisstand nur erklären, wenn Neutrinos eine Masse besitzen.