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Neutrinos – Teilchen mit Tarnkappe

Ein Rätsel nicht in den Tiefen des Alls, sondern vor unserer Haustür: Was passiert im Inneren der Sonne? Die Boten, die direkt aus dem Sonnenkern zu uns kommen, die Neutrinos, passen nicht recht ins Bild der Theoretiker. Haben diese Geisterteilchen eine Masse – und warum finden wir zu wenig?

Am 19. Juni ging in den italienischen Abruzzen eine Ära zu Ende: Ein Team europäischer Physiker schaltete das Gallex-Experiment ab, das in einem unterirdischen Stollen im Gran-Sasso-Massiv sechs Jahre lang wichtige Informationen über die Sonnen-Neutrinos gesammelt hat. Jede Sekunde bombardiert unser Zentralgestirn jeden Quadratzentimeter der Erde mit 65 Milliarden dieser kosmischen Boten – doch nur wenige von ihnen hinterlassen Spuren.

Der Erfolg von Gallex bestand in einem Mißerfolg: In dem mit 100 Tonnen Galliumchlorid gefüllten Tank fingen die Physiker rund ein Drittel weniger Neutrinos ein, als es die Astrophysiker auf der Basis ihrer Sonnenmodelle errechnet hatten – und bestätigten damit Experimente, die seit 25 Jahren in verschiedenen Labors in aller Welt unternommen wurden.

Gedankenspiele, wonach unser Bild von den Vorgängen im Bauch der Sonne falsch sein könnte, führten bisher immer in die Sackgasse. Die Kernreaktionen, bei denen massenhaft Neutrinos mit einem breiten Energiespektrum entstehen, sind miteinander gekoppelt und lassen sich auch mit aller Phantasie der Theoretiker nicht so hinbiegen, daß sie zu den Ergebnissen der bisher unternommenen Experimente passen. Fehler bei den Meßapparaturen sind ebenfalls vom Tisch, nachdem das Gallex-Team seine Anlage mit einem künstlich erzeugten Neutrino-Strahl geeicht hat.

Die Physiker verfolgen deshalb eine andere Spur: Wie wäre es, fragen sie, wenn sich einige der Sonnen-Neutrinos auf ihrer rund achtminütigen Reise zur Erde so verwandeln, daß sie für die irdischen Detektoren unsichtbar werden? Die Sonne erzeugt sogenannte Elektron-Neutrinos, die Teilchenphysiker kennen aber noch zwei weitere Sorten: Tau-Neutrinos und Müon-Neutrinos. Es wäre denkbar, daß die Elektron-Neutrinos „oszillieren“ und sich in eine der beiden anderen Sorten umwandeln. Daß so etwas geht, haben die Physiker schon bei anderen exotischen Teilchen, den neutralen K-Mesonen, bewiesen.

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Eng mit der Hypothese der Neutrino-Oszillationen verknüpft ist die Frage nach der Masse der scheuen Geisterteilchen. Haben Neutrinos – im Gegensatz zu den Annahmen des Standardmodells der Teilchenphysik – doch eine kleine Masse? Erst diese Masse würde es einem Neutrino erlauben, sich in eine der beiden anderen Sorten zu verwandeln. Oder sind Neutrinos – wie Photonen – in Ruhe masselos und flitzen mit Lichtgeschwindigkeit durchs All? Dann gäbe es auch keine Oszillationen.

Experimentell ist diese Frage äußerst schwer zu klären. Denn je geringer die Massenunterschiede zweier Neutrino-Sorten wären, um so länger würde es dauern, bis sie sich einmal ineinander umgewandelt hätten. Auf dem Weg von der Sonne zur Erde hätten die Neutrinos dazu genügend Zeit, in einem Beschleuniger mit nur wenigen Metern Länge dagegen möglicherweise nicht.

Um so überraschender ist deshalb die Meldung amerikanischer Physiker vom Los Alamos National Laboratory, daß sie in ihrem Beschleuniger insgesamt 50 Ereignisse registriert haben, bei denen sich Neutrinos verwandelt haben sollen – und das obwohl die mysteriösen Teilchen nur 30 Meter weit fliegen konnten, bevor sie eingefangen wurden.

Ein ähnliches Experiment – allerdings weit größeren Ausmaßes – planen japanische Physiker. Ab 1999 wollen sie aus einem Beschleuniger am KEK-Institut nahe Tokio Neutrinos durch den Erdboden zu einer 160 Kilometer entfernten Mine schicken. Dort wartet Super-Kamiokande, ein riesiger, mit 50000 Kubikmeter Wasser gefüllter Tank, der seit April des letzten Jahres seltenen Sonnen-Neutrinos mit hoher Energie auflauert. Noch eine Nummer größer sind die Pläne, die das Europäische Kernforschungszentrum CERN in Genf in der Schublade hat. Von Genf aus sollen Neutrinos 732 Kilometer weit durch die Alpen ins Felsenlabor am Gran Sasso fliegen, wo ein Nachfolger des Gallex-Detektors als Fangnetz dient.

Erste Messungen von Super-Kamiokande an Sonnen-Neutrinos scheinen die Gallex-Ergebnisse zu bestätigen. Deshalb wollen auch die Europäer weiter nach Sonnen-Neutrinos fahnden. „Es wäre unvernünftig, Gallex einfach abzuschalten, ohne ein Nachfolgeprojekt zu installieren“, sagt Prof. Till Kirsten vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik, Leiter der Gallex-Gruppe.

Damit am unteren Ende der Energie-Skala keine Lücke klafft, errichtet man zur Zeit am Gran Sasso – diesmal unter italienischer Führung – ein Nachfolge-Experiment: GNO (Gallium Neutrino Observatorium) soll Ende des Jahres mit einem deutlich größeren Gallium-Reservoir die Gallex-Ergebnisse erhärten. Zur Jahrtausendwende soll dann – ebenfalls am Gran Sasso – Borexino folgen, das einen besonders interessanten Ausschnitt aus dem Neutrino-Spektrum unter die Lupe nimmt. Falls die Neutrinos wirklich Masse haben, wären sowohl die Astrophysiker als auch die Teilchentheoretiker glücklich: Die ersten hätten endlich die lange gesuchte Dunkle Materie gefunden – die unsichtbare gigantische Masse, die offenbar das Universum zusammenhält. Die zweiten bekämen einen wichtigen Baustein für eine große Vereinigungstheorie in die Hand, in der alle Teilchen und Kräfte auf einen gemeinsamen Ursprung zurückgeführt wären. Im Gegensatz zum gebräuchlichen Standardmodell, das von masselosen Neutrinos ausgeht, sind die Vereinigungstheoretiker auf massive Neutrinos angewiesen.

Bernd Müller

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