Geisterteilchen Neutrinos sollen doch eine Masse haben

Das vorherrschende Modell der Teilchenphysik sagt, Neutrinos sind masselos. Im Experiment beobachten Physiker aber eine seltsame Verwandlung der Geisterteilchen. Daraus schließen sie: Die Teilchen haben doch einen Masse.


Neutrinos haben offenbar eine Masse. In einem aufwendigen Experiment haben Physiker am Fermilab in Illinois die Bauteile der Materie hergestellt und beobachtet. Aus ihren Beobachtungen schlussfolgern die Forscher: Neutrinos können nicht masselos sein, wie bislang gedacht - und durch das Standardmodell für die Bausteine des Kosmos postuliert. Ein neues Modell muss her.

Weg des Teilchenstrahls: Am Fermilab erzeugt und detektiert, dann mehr als 700 Kilometer weit durch die Erde geschossen
Fermilab

Weg des Teilchenstrahls: Am Fermilab erzeugt und detektiert, dann mehr als 700 Kilometer weit durch die Erde geschossen

Sie gehören nicht zu den einfachsten Forschungsgegenständen. Neutrinos, subatomare Teilchen, die durch das Weltall, die Erdatmosphäre, gar durch die Erde selbst und jeden Menschen fliegen - ungehindert und unbemerkt. Deswegen werden die Partikel auch "Geisterteilchen" genannt. Sie zu erforschen bedeutet für Physiker einen erheblichen Aufwand.

An verschiedenen Orten auf der Welt versuchen Wissenschaftler in Wassertanks tief unter der Erdoberfläche, die höchst seltenen Kollisionen durchreisender Neutrinos zu beobachten. Rund einmal am Tag haben sie Glück. Dann messen sie zufällig die Zerfallsprodukte, die durch einen solchen Zusammenstoß entstehen. Das ist nicht eben viel um Rückschlüsse auf das Wesen dieser Teilchen zu ziehen.

Das "Minos"-Experiment (steht für Main Injector Neutrino Oscillation Research) ging einen anderen Weg: Im Fermilab-Teilchenbeschleuniger in Illinois wurden Neutrinos künstlich erzeugt und durch einen Detektor geschossen. Von dort aus flog der Partikelstrahl geradewegs zu einem zweiten Messaufbau, der über 700 Kilometer entfernt in einem stillgelegten Bergwerk steht.

Messungen japanischer Wissenschaftler von 2002 hatten zu dem Experiment inspiriert. Über eine kürzere Distanz glaubten sie beobachtet zu haben, dass sich Neutrinos auf dem Weg von einem Detektor zum nächsten verändern. Gleich das erste große Experiment widmete der Minos-Verbund von 32 Forschungsinstituten aus sechs Staaten der Vermutung der Japaner - denn für das Theoriegebilde der Teilchenphysik könnte sie Sprengstoff sein.

Das Verhalten der kleinsten Einheiten der Materie zu erklären die Physiker mit dem sogenannten Standardmodell. Für die mehr oder weniger hypothetischen Mitglieder dieser Sippe - Quarks, Leptonen und Bosonen - gelten verschiedene Regeln. Eine davon lautet, dass Neutrinos keine Masse haben.

Keine Verwandlung ohne Masse

Gleich drei von ihnen tauchen im Standardmodell auf: Elektron-, Muon- und Tau-Neutrinos. Der am Fermilab erzeugte Strahl bestand aus Muon-Neutrinos. Weil der Muon-Detektor in der Mine aber weniger Teilchen zählte als jener in Illinois, schließen die Forscher: Unterwegs haben sich einige Muon- in Elektron- oder Tau-Partikel umgewandelt.

Dem Standardmodell entsprechend braucht ein Teilchen aber Masse, um eine solche Oszillation genannte Verwandlung zu vollbringen. Ein Widerspruch, zeichnet doch dasselbe Modell alle drei Neutrino-Sorten als masselos aus.

"Einfach gesprochen heißt das, wenn Neutrinos schwer sind, gibt es viel mehr Masse im Universum, als wir gedacht haben", sagte die Teilchenphysikerin Jenny Thomas vom University College London der "BBC". Thomas ist Mitglied des Minos-Projekts.

Einerseits nährt das Experiment mit den Geisterteilchen also Zweifel an der gegenwärtig vorherrschenden Vorstellung über die Bausteine des Kosmos. Andererseits könnte es aber das Geheimnis der fehlenden Masse lösen helfen: Schon seit langem sagen Beobachtungen von Astrophysikern voraus, dass im Weltall viel mehr Masse stecken muss, als Menschen bisher beobachtet haben. Sie könnte unter anderem in den Geisterteilchen stecken.

Stefan Schmitt



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