Elementarteilchen Physiker klären Neutrino-Mysterium

Ein Neutrino-Experiment aus den neunziger Jahren hat Forschern bis heute Kopfzerbrechen bereitet. Demnach müsste es eine spezielle Neutrino-Art geben, die das weithin akzeptierte Standardmodell der Elementarteilchen in Frage stellt. Jetzt haben US-Physiker das Mysterium aufgeklärt.

Neutrinos gehören zweifellos zu den rätselhaftesten Elementarteilchen überhaupt. Sie besitzen keine Ladung, ihre Masse ist vermutlich nicht Null, aber extrem klein. Sie gelten als mögliche Erklärung für die sogenannte Dunkle Materie, also jener Masse, die mehr als 20 Prozent der Masse des Universums ausmachen soll und allein anhand ihrer Gravitationswirkung nachgewiesen werden kann.

Neutrinos entstehen unter anderem bei der Kernfusion. So wird die Erde permanent mit Milliarden Neutrinos pro Quadratzentimeter Oberfläche bombardiert, die von der Sonne kommen. Die Elementarteilchen rasen jedoch praktisch ungestört durch den Erdball hindurch, weil sie kaum mit Materie wechselwirken. Dies erschwert auch ihren Nachweis und ihre Untersuchung.

Physiker unterteilen die extrem flüchtigen Teilchen in drei Typen: Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tauon-Neutrinos. Durch sogenannte Oszillation kann sich ein Teilchentyp in einen anderen wandeln und auch wieder zurück. Bei einem Experiment am Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) am Los Alamos National Laboratory in den neunziger Jahren glaubten Forscher, erstmals eine Oszillation beobachtet zu haben. Allerdings passten die Messdaten nicht so recht zu den bekannten Neutrino-Modellen. Theoretiker schlugen deshalb vor, die Existenz eines vierten Neutrino-Typs anzunehmen, den sie als steril bezeichneten.

Nur einer konnte Recht haben

Dieses sterile Neutrino widersprach jedoch dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik - ein Ärgernis für die Wissenschaftler. Hinzu kam, dass Physiker beim Experiment Karmen in Großbritannien, vergeblich nach sterilen Neutrinos gefahndet hatten. "Wir haben von 1997 bis 2001 beim Experiment Karmen nach Oszillationen gesucht, aber keinen Hinweis darauf gefunden", sagte Guido Drexlin von der Universität Karlsruhe im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Beide Experimente hätten vergleichbare empfindliche Detektoren gehabt. "Es war klar, das nur einer Recht haben konnte." Es habe deshalb eine große Kontroverse unter den Teilchenphysikern gegeben.

So beschlossen Physiker verschiedener US-Universitäten 1998, die umstrittenen Ergebnisse des LSND-Experiments am Fermilab nahe Chicago erneut zu überprüfen. Von 2002 bis 2005 untersuchten sie im Rahmen des Miniboone-Experiments Neutrinos, die vom Booster-Beschleuniger am Fermilab erzeugt worden waren. Als Messapparatur diente eine knapp 1000 Kubikmeter fassende Kugel, gefüllt mit hochreinem Mineralöl. 1280 in der Kugel verteilte Sensoren maßen die Spuren der Kollisionen von Neutrinos mit den Kohlenstoffatomen der Ölmoleküle.

Um die Glaubwürdigkeit der Messdaten sicherzustellen, versagten sich die Forscher während des Experiments den Zugriff darauf. Erst vor drei Wochen begannen sie, die Daten auszuwerten - und fanden keinerlei Hinweise auf sterile Neutrinos.

Keine Oszillationen beobachtet

"Die Möglichkeit einer Oszillation von sterilen Neutrinos, wie am LSND beobachtet, scheint ausgeschlossen", sagte Jonathan Link vom Virginia Tech College of Science. Es könne zwar trotzdem sterile Neutrinos geben, erklärte der Forscher, doch müssten diese dann andere Eigenschaften haben.

"Von unseren Daten her war klar, dass die Kollegen einen Untergrundeffekt gemessen hatten und keine Oszillation", sagte Drexlin, einer der leitenden Wissenschaftler am Karmen-Experiment. "Heute wissen wir, dass Oszillationen zwischen Myon-Neutrinos und Tauon-Neutrinos erst bei Weglängen von mehreren hundert Kilometern auftreten und nicht auf kurzen Distanzen von 50 Metern, wie angeblich beim LSND-Experiment beobachtet." Oszillationen bei so kurzen Wegstrecken hätten bisherige Theorien in Frage gestellt und als mögliche Erklärung ein steriles Neutrino erfordert.

"Es war sehr wichtig, die überraschenden LSND-Ergebnisse entweder zu bestätigen oder zu widerlegen", sagte Robin Staffin, Wissenschaftler vom US-Energieministerium. "Man weiß nie, welche Überraschungen die Natur für uns bereithält."

Einige der am Miniboone-Experiment beteiligten Forscher dürften enttäuscht gewesen sein über das Ergebnis, schließlich hatten sie damit ihre eigenen Messungen aus den neunziger Jahren widerlegt. "Ich kann durchaus mit den Kollegen mitfühlen", sagte der Karlsruher Physiker Drexlin. "Sie haben 20 Jahre Forschungsarbeit investiert und stehen jetzt quasi mit leeren Händen da. Aber so ist das in der Wissenschaft."

Die Wiedergabe wurde unterbrochen.