Der Neutrino-Sommer 2018: Ergebnisse, Anomalien und neue Physik

“Unter allen bekannten Elementarteilchen ist das Neutrino mit Sicherheit das exotischte: Obwohl in jeder Sekunde 60 Milliarden Neutrinos durch jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche – und jedes menschlichen oder sonstigen Körpers – strömen, durchdringen sie uns, ja sogar das ganze Erdinnere, ohne eine Spur zu hinterlassen, als wären wir und die Erde Luft. Und obwohl Neutrinos höchstens ein Millionstel der winzigen Elektronenmasse wiegen, ist ihre Anzahl so hoch, dass sie ungefähr genauso viel zur Masse des Universums beitragen wie alle Sterne zusammengenommen. Und schließlich weiß niemand, wie das Spiegelbild eines Neutrinos aussieht, sodass Neutrinos abwechselnd mit Geistern, Raumschiffen und Vampiren verglichen werden. Neutrinos scheinen aus der Reihe zu tanzen und die Gesetze der Physik zu ignorieren.” 

So hatte ich in meinem Buch “Neutrinos: Die perfekte Welle – vom Nobelpreis in die Welt von Higgs, Extra-Dimensionen und Zeitreisen” [1] die scheuen Zauberteilchen eingeführt. Und die Beschreibung ist nach wie vor aktuell. Denn der auslaufende Sommer hatte neben Hitzerekorden auch spannende Neuigkeiten aus der Neutrinophysik zu bieten, aus Orten rund um den Erdball: Vom Fermilab-Labor in der Nähe von Chicago über Heidelberg und Karlsruhe bis zum Südpol.

Neutrinos in Heidelberg 

So fand vom 4.-9. Juni in Heidelberg die Neutrino2018, die größte Neutrino-Konferenz aller Zeiten statt. Vor mehr als 800 Teilnehmern, darunter die Physik-Nobelpreisträger von 2015, Art McDonald und Takaaki Kajita, eröffnete Manfred Lindner, der das Heidelberger MPI für Kernphysik in den vergangenen zwölf Jahren in eines der weltweit führenden Zentren der Neutrinophysik verwandelt hat, eine Tagung, die beeindruckend demonstriert, wie spannend und aktiv die Forschung im Bereich der Geisterteilchen ist.

Neutrino2018-Konferenz in der Heidelberger Stadthalle

 

Die “Neutrino” ist zuallererst eine experimentelle Konferenz, und das ist auch gut so. Denn letztlich ist die Physik natürlich eine experimentelle Wissenschaft, und es sind experimentelle Ergebnisse, die den Fortschritt der Physik manifestieren. Und in der Neutrinophysik gibt es derzeit tatsächlich viel zu messen.

Dabei waren die Entdeckungen, für die McDonald und Kajita den Nobelpreis erhielten, so etwas wie ein Startschuss der aktuellen Neutrinoforschung: Durch sie konnte gezeigt werden, dass Neutrinos überhaupt Massen besitzen und dass das Standardmodell der Teilchenphysik erweitert werden muss. 

Neutrinos? Was war das nochmal?

Neutrinos gehören wie die Quarks im Atomkern und die Elektronen aus der Steckdose zu den (so weit wir wissen) fundamentalen, punktförmigen Teilchen, aus denen die bekannte Materie aufgebaut ist. Jedes dieser Teilchen hat einen Eigendrehimpuls und kann deshalb in zwei Richtungen rotieren, und zu jedem dieser Teilchen gibt es ein entsprechendes Antiteilchen.

Drei Neutrinosorten gibt es, entsprechend den drei “Familien” im Standardmodell der Teilchenphysik. Allerdings lassen sich nach den Gesetzen der Quantenphysik den Neutrinos nicht direkt Massen zuordnen, vielmehr befinden sich die einzelnen Neutrinos in quantenphysikalischen Überlagerungen oder “Superpositionen” definierter Massen.

Neutrino-Oszillationen

Der Prozess, mit dem das nachgewiesen werden konnte, heißt Neutrino-Oszillation und beschreibt die Transformation von einer Neutrinosorte in eine andere: Wird in einer Teilchenreaktion ein Neutrino einer der drei bekannte Sorten (oder “Flavors”), Elektronneutrino, Myonneutrino oder Tauneutrino erzeugt, besitzt es zunächst keine klar definierte Masse. So wie Schrödingers berüchtigte Zombiekatze, die halb tot und halb lebendig ist, befindet sich das Neutrino in einer quantenmechanischen Überlagerung verschiedener Massen-Zustände. Auf seinem Weg von der Entstehung zum Detektor kommen diese Komponenten nun unterschiedlich schnell voran, da ihnen nach Abzug der der Masse entsprechenden Energie unterschiedlich viel Restenergie für die Bewegung zur Verfügung steht. Dadurch verändert sich die ursprüngliche Zusammensetzung. Eine andere Quantenüberlagerung entspricht aber nicht mehr unserer ursprünglichen Neutrinosorte, es kann jetzt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit nach einer gegebenen Flugdistanz eine andere Neutrinosorte gemessen werden. Diese Wahrscheinlichkeit hängt von der Quanten-Zusammensetzung der Neutrinosorte aus den Massen-Zuständen (der “Mischung”) sowie den Unterschieden der Massen (genauer den Differenzen der Massenquadrate) ab, und sie ist ist eine quadrierte Sinus-Funktion der Flugdistanz (daher “Neutrino-Oszillation”). 

Indem man diesen Prozess genau untersucht, lässt sich allerhand lernen über die Eigenschaften der rätselhaften Teilchen. Denn gerade weil Neutrinos so stark aus der Reihe der bekannten Elementarteilchen tanzen, verspricht man sich von einem besseren Verständnis der Teilcheneigenschaften auch einen tieferen Einblick in die fundamentalen Gesetze, die dem Standardmodell der Teilchenphysik zugrunde liegen sollen.

Wo wir stehen

Infolge der Entdeckungen von Kajita, McDonald und anderen wurden Neutrinos in den vergangenen 20 Jahren ziemlich genau vermessen:

Wir haben inzwischen ein ziemlich (mehr dazu weiter unten) konsistentes Bild von drei Neutrinos, deren Mischungen durch drei Parameter (“Mischungswinkel”) und drei Massen, bzw, eine Massenskala und zwei Massenquadrat-Differenzen beschrieben werden. Mit Ausnahme der Massenskala sind diese Parameter inzwischen bis auf Unsicherheiten im Bereich von wenigen Prozent bekannt, und zukünftige Experimente werden diese Genauigkeit weiter verbessern.

Wer sich über den gegenwärtigen Stand dieser Unternehmung informieren will, findet in Mariam Tortolas Vortrag auf der Neutrino2018 eine hervorragende Quelle. Die Physikerin aus der Astroteilchen- und Hochenergiegruppe der Universität Valencia beschreibt nicht nur im Detail, wie genau die verschiedenen Parameter inzwischen bekannt sind, sondern auch, was wir in Zukunft erwarten können: So werden wir ca. 2025 die bekannten Parameter bis auf 1-3% genau kennen.

Offene Fragen

Damit ist freilich längst nicht alles gelöst. Mehrere offene Fragen existieren, und sie betreffen gerade besonders spannende Eigenschaften und Aspekte:

-Wie groß ist die Masse der Neutrinos genau? 

Bisher kennt man nur Differenzen von Massenquadraten. Am 11. Juni wurde jetzt in Karlsruhe das KATRIN-Experiment, ein gigantisches Spektrometer zur Neutrinomassenbestimmung, feierlich in Betrieb genommen – in Anwesenheit von Kajita und McDonald und vieler weiterer, aus Heidelberg angereister Physiker. KATRIN soll die Neutrinomasse aus der beim radioaktiven Betazerfall verschwundenen Energie rekonstruieren, die auf das nicht nachweisbare Neutrino übertragen wird und mindestens seiner Masse entsprechen muss. Inzwischen wurde die erste Messphase erfolgreich abgeschlossen. In den kommenden fünf Jahren wird KATRIN die Empfindlichkeit auf die Neutrinomasse weiter verbessern und außerdem nach bisher unentdeckten, sogenannten “sterilen” Neutrinos suchen.

Nicht nur zum Anwohner erschrecken gut. Das KATRIN-Experiment (Quelle KATRIN/KIT).

Ein anderer Ansatz untersucht die kosmologischen Konsequenzen, die eine Neutrinomasse haben könnte: So sollten die schnellen Neutrinos durch die Schwerkraft ihrer winzigen Massen im frühen Universum die Bildung von Galaxien stören. Die entsprechenden, aus astrophysikalischen Experimenten abgeleiteten Grenzen auf die Neutrinomasse sind noch genauer als KATRIN messsen kann, aber natürlich auch von mehr Faktoren abhängig als ein kontrolliertes Laborexperiment.

-Wie sind die Massen angeordnet? 

Soll heißen: Ist die Neutrinomasse, die hauptsächlich mit dem Elektronneutrino der 1. Generation mischt, die leichteste (wie bei den geladenen Teilchen) oder nicht? Nach den neuesten Messungen ist die Wahrscheinlichkeit, dass Neutrinos wie ihre geladenen Verwandten angeordnet sind, größer als 90%. Bis 2025 wird die statistische Sicherheit auf über 99% angewachsen sein.

-Verhalten sich Neutrinos und Antineutrinos mit verschiedenen Eigen-Drehimpulsen unterschiedlich?

Physiker nennen dieses Phänomen CP-Verletzung. Sowohl diese Frage als auch die vorhergehende könnte mit dem Rätsel, warum das Universum mehr Materie als Antimaterie enthält, zusammenhängen.

-Wodurch entsteht die Neutrinomasse?

Die geladenen Teilchen erhalten ihre Massen durch das Higgs-Feld (für die Entdeckung des zugehörigen Feldquants, des Higgs-Bosons, gab es 2013 den Nobelpreis). Da Neutrinos aber so viel leichter ist, wird spekuliert, dass die Neutrinomassen-Erzeugung anders funktioniert. Dadurch sind Neutrinos eng verknüpft mit der Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells

-Ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen? 

Da sich Teilchen und Antiteilchen vor Allem durch ihre Ladung unterscheiden, ist das bei einem ungeladenen Teilchen wie dem Neutrino prinzipiell möglich (man spricht dann von einem Majorana-Neutrino). Das Standardmodell der Teilchenphysik muss dafür erweitert werden. 

Warum ist das interessant?

Zum Einen führt uns eine Erweiterung des Standardmodells näher heran an den alten Traum aller Physiker, einer “Theorie für Alles”, die neben Elementarteilcheneigenschaften auch die Gravitation, Dunkle Materie und Dunkle Energie im Universum beschreibt.

Außerdem ist die Neutrinophysik insbesondere deshalb spannend, weil eine Neutrinomasse, sollten Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sein, wie ein Portal oder Ventil zwischen Teilchen und Antiteilchen funktionieren könnte, sodass sich mit Hilfe der Neutrino Materie in Antimaterie verwandeln könnte und umgekehrt. Und damit mit einer weiteren fundamentalen Frage zusammenhängt:

Warum gibt es etwas und nicht nichts?

Damit Materie Strukturen wie Galaxien, Sterne oder Lebensformen bilden kann, muss im Universum ein Ungleichgewicht zwischen Materie und Anti-Materie existieren. Anders ausgedrückt: Es muss Prozesse geben, die in der Lage sind, Anti-Materie in Materie umzuwandeln, oder Materie und Anti-Materie in ungleicher Menge zu erzeugen. Und Materie meint hier im Wesentlichen Baryonen, also aus 3 Quarks zusammengesetze Teilchen wie die Bausteine des Atomkerns, die Protonen und Neutronen.

Im Jahr 1967 hatte der russische Kernphysiker, Dissident und Friedens-Nobelpreisträger Andrei Sacharov drei Bedingungen identifizert, die erfüllt werden müssen, um so einen Prozess zu ermöglichen:

  1. Baryonzahlverletzung: Der Prozess muss in er Lage sein, Teilchen in Anti-Teilchen zu verwandeln, bzw. Teilchen und Antiteilchen in unterschiedlicher Menge zu erzeugen oder zu vernichten.
  1. Ungleichgewicht: Der Prozess muss in einer Richtung effizienter sein als in der Gegenrichtung: Wenn gleichzeitig genauso viele Baryonen erzeugt werden, wie in der Gegenrichtung vernichtet, ist nichts gewonnen.
  1. C- und CP-Verletzung: Der Prozess muss auf Teilchen und Anti-Teilchen, oder genauer: Baryonen und Antibaryonen, unterschiedlich wirken. Sonst hat man hinterher nicht mehr Baryonen als Anti-Baryonen und damit auch nicht mehr Atomkerne als Anti-Atomkerne.

Ein populäres Modell zur “Baryogenese”, dem Fachausdruck für Materieerzeugung, geht von schweren Spiegelneutrinos aus, die im frühen Universum in leichtere Teilchen zerfielen, und damit erstmal eine Asymmetrie erzeugen zwischen Leptonen (der Sammelbegriff für Neutrinos, das Elektron und seinen schwereren Brüder Myon und Tau) und ihren Antiteilchen, die dann später durch Standardmodell-Prozesse in eine Baryonasymmetrie umgewandelt wird. Dafür muss das Neutrino allerdings sein eigenes Antiteilchen sein, und – zumindest die Spiegelneutrinos – müssen die CP-Symmetrie verletzen. Deshalb wäre eine Bestätigung des einen oder anderen Phänomens so wahnsinnig spannend. 

Anomalien

Wie der Fortschritt bei der Bestimmung der verschiedenen Neutrino-Parameter zeigt, lassen sich die experimentellen Ergebnisse ein relativ konsistente Deutung im Rahmen eines Modells mit drei leichten Neutrinos zu. Es gibt allerdings hartnäckige Anomalien, die nicht in diesen starren Rahmen passen. Sie zeigen sich bei den Daten von Experimenten, die Neutrinos aus Kernreaktoren und anderen radioaktiven Quellen untersuchen, und in zwei Beschleunigerexperimenten namens LSND und MiniBooNE. Während LSND in der 1990er Jahren gemessen hat, nimmt MiniBooNE weiter Daten und hat nur wenige Tage vor der Neutrino-2018-Konferenz neue Ergebnisse veröffentlicht, die mit einer Wahrscheinlichkeit von mehr als 99,999% neue Physik jenseits des 3-Neutrino-Standardmodells bedeuten, vorausgesetzt natürlich, das Experiment misst richtig und wird korrekt interpretiert [2]. 

MiniBooNE-Experiment (Quelle: Fermilab)

Darüber hinaus passt eine Erklärung, die einfach weitere leichte (sterile) Neutrinos einführt, nicht zu den Daten anderer Experimente. “Wenn es wirklich richtig sein sollte, werden uns ganz schön die Köpfe rauchen, es zu erklären”, hatte ich deshalb im Juni auch meinem Blogger-Kollegen Lars Fischer in einem Interview erklärt. Inzwischen sind die Köpfe mit Rauchen tatsächlich fertig. Basierend auf Vorarbeiten meines ehemaligen Chefs Tom Weiler an der Vanderbilt-Universität im US-amerkanischen Nashville, konnte ich mit meinen Doktoranden Philipp Sicking und Dominik Döring tatsächlich ein Modell entwickeln, dass unter der Annahme, das sich drei zusätzliche Neutrinos in speziell gestauchten Extra-Dimensionen ausbreiten können, die Daten erklärt. Das Modell ist eine aktualisierte Version eines Modells, das Weiler und ich zusammen mit Sandip Pakvasa von der University of Hawaii bereits 2005 für das LSND-Experiment vorgeschlagen hatten. Soweit wir wissen, ist es gegenwärtig das einzige Modell, das wirklich alle existierenden Neutrinodaten ernst nimmt und erklärt. Zusätzliche Raumdimensionen über die drei bekannten hinaus werden z.B. in der Stringtheorie vorhergesagt und auch im Beschleunigerexperiment LHC am CERN gesucht. Eine entsprechende Entdeckung wäre also tatsächlich eine wissenschaftliche Revolution, wie es sie seit der Entwicklung der Quantenphysik in der Physik nicht mehr gegeben hat. Andererseits sind die Chancen, dass statt dessen doch ein Fehler im Experiment vorliegt, natürlich hoch. 

Neuigkeiten vom Südpol

Gleich zu Beginn seines Eröffnungsvortrags auf der Neutrino2018 hatte Eligio Lisi die Neutrinophysik mit einem Feuerwerk verglichen, und bereits darauf hingewiesen, dass Neutrinos inzwischen so gut bekannt sind, dass sie vom Forschungsgegenstand zur Sonde werden. So lassen sich schon seit längerem astrophysikalische Objekte wie Sterne oder Supernovae untersuchen, indem man die von ihnen emittierten Neutrinos nachweist. Im Verbund mit der klassischen Astronomie, der Röntgenastronomie, der Messung Kosmischer Strahlung und der Untersuchung von Gravitationswellen, für deren Nachweis es den Nobelpreis 2017 gab, erlaubt die Neutrinoastronomie inzwischen auch vergleichende “Multi-Messenger”-Untersuchungen. 

Das IceCube Neutrino-Teleskop am Südpol (Quelle: IceCube/NSF).

Blazar (künstlerische Darstellung): Die identifizerte Quelle der IceCube-Neutrinos (Quelle: IceCube/NASA).

An der Forschungsfront stehen dabei momentan die großen Neutrinoteleskope wie IceCube, das hochenergetische Neutrinos durch die von ihren Reaktionsprodukten verursachte Tscherenkow-Strahlung im Eis der Antarktis nachweist. Bereits 2013 verlieh die Zeitschrift Physics World dem IceCube-Experiment den “Physics Breakthrough of the Year”-Preis, als dort erstmals Neutrinos von entfernten Galaxien nachgewiesen werden konnten. 82 dieser höchstenergetischen Neutrinos konnte IceCube bisher entdecken. Im Juli berichteten die beteiligten Forscher jetzt, dass zum ersten mal ein Neutrinos im Rahmen einer “Multi-Messenger”-Untersuchung auch zu seinem Ursprungsort zurückverfolgt werden konnten: ein Blazar im Sternbild Orion, also eine gigantische elliptische Galaxie mit einem monströsen Schwarzen Loch – viele Millionen bis Milliarden Sonnenmassen schwer – im Zentrum. In der Umgebung dieses Schwarzen Lochs werden Teilchen in zwei entgegengesetze Richtungen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, und einer dieser Jets zeigt direkt in Richtung Erde. Spiegel, Süddeutsche und Bayerischer Rundfunk sprechen von der Lösung eines “Jahrhundert-Rätsels”.

Und während diese Entdeckungen zunächst einmal für die Astrophysik, also das Verständnis der Quellen, in denen die Neutrinos erzeugt werden, relevant sind, lassen sich schon jetzt aus der Analyse der Flavor-Zusammensetzung (also zu welchen Teilchenfamilien die beobachteten Neutrinos gehören) oder dem Vergleich der Neutrinogeschwindigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit oder der Geschwindigkeit von Gravitationswellen (erwartungsgemäß ebenfalls die Lichtgeschwindigkeit) Schlüsse auf teilchenphysikalische Modelle ziehen – zum Beispiel unser oben erwähntes Neutrinomodell mit Extra-Dimensionen.   

Es bleibt also spannend. Und wer mehr wissen möchte über Neutrinos, die abenteuerlichen Experimente  und die spannenden, teilweise geradezu verrückt anmutenden Theorien, mit denen sie verknüpft sind, dem empfehle ich mein Buch:

Buchempfehlung zum Thema Neutrinos & Mehr

Wir können wahrlich dankbar sein, in dieser tollen Zeit zu leben, in der die Welt uns so viele ihrer Geheimnisse offenbart.

Die Welt ist wunderbar!

[1] Heinrich Päs: Neutrinos – Die perfekte Welle: Vom Nobelpreis in die Welt von Higgs, Extradimensionen und Zeitreisen, Springer, Heidelberg 2016.

[2] MiniBooNE Collaboration: Observation of a Significant Excess of Electron-Like Events in the MiniBooNE Short-Baseline Neutrino Experiment, https://arxiv.org/abs/1805.12028.

[3] IceCube Collaboration: Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert, Science 361 147-151 (2018)https://arxiv.org/abs/1807.08794, IceCube Presseerklärung.

Heinrich Päs ist Professor für Theoretische Physik an der TU Dortmund und forscht über Neutrinos, Teilchenphysik und Kosmologie. Er hat sich aber auch schon als Zeitmaschinenentwickler und Philosoph versucht, ein Buch ("Neutrinos - Die perfekte Welle") geschrieben und mehrere Science-Fiction Romane inspiriert. Er war Postdoc in Hawaii. Wenn er nicht forscht oder liest ist er gern in der Natur, beim Segeln, Surfen, Wandern, Skifahren oder Laufen. Und noch mehr als die Welt liebt er seine Frau Sara.

4 Kommentare Schreibe einen Kommentar

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    Viel Spaß und lebhafte Diskussionen wünscht Heinrich Päs!

  2. Wäre es unter Umständen möglich und für diesen Blog eine nicht allzu große Zumutung , mir eine Frage bezüglich eines oben angesprochenen Experiments zu beantworten. Der Schreiber dieser Zeilen wüde sch schon jetzt für eventuelle Umstände entschuldigen . Nämlich insbesondere falls diese Anfrage als unziemliche Zumutung ausgehend von einem irrelevante Laien , emfunden würde.

    Dann also meine Frage zu dem Folgenden von oben:
    ” Im Juli berichteten die beteiligten Forscher jetzt, dass zum ersten mal ein Neutrinos im Rahmen einer “Multi-Messenger”-Untersuchung auch zu seinem Ursprungsort zurückverfolgt werden konnten: ein Blazar im Sternbild Orion, also eine gigantische elliptische Galaxie mit einem monströsen Schwarzen Loch – viele Millionen bis Milliarden Sonnenmassen schwer – im Zentrum. “
    Konkrete Frage dazu:
    Der Fragesteller würde sich über eine allgemeinvertändliche Erklärung der Art und Weise freuen, wie man konkret und im Einzelnen , die Ursprungskoordinaten des (oder der ?) Neutrinos bei diesem Experiment bestimmen konnte. Besonders für den Fall, dass es sich, wie schon damals bei Spektrum.de berichtet, um ein einzelnes “Neutrino- Ereignis” gehandelt hat.
    Vielen Dank jetzt schon für die Mühe einer Beantwortung meiner eventuell etwas naiv- laienhaften Frage.

  3. Schöne Zusammenfassung. Mir fehlt ein wenig der Aspekt daß die hochspekulative theoretische Forschung in dem Bereich gemessen an der Zahl der Publikation in den letzten 15-20 Jahren kaum Fortschritte gebracht hat (Der einzige Hinweis darauf ist “Andererseits sind die Chancen, dass statt dessen doch ein Fehler im Experiment vorliegt, natürlich hoch.”). Der Artikel hätte gefühlt ähnlich schon vor 15 Jahren erscheinen können – wären Blogs damals schon verbreitet gewesen. So gesehen ist es natürlich toll dass Katrin nun an den Start ging. Natürlich ist es auch schön dass es theoretische Forschung dazu gibt, aber es wäre gut auch besser darzustellen wie orientierungslos das Modellbildung in dem Bereich ist.

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