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Ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen?

Die meisten Varianten der Standardtheorie der Elementarteilchenphysik, die außer der Gravitation alle Grundkräfte der Natur auf eine einzige Kraft zurückführen, gehen davon aus, dass das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Dafür gab es bisher keine experimentellen Beweise. Hans-Volker Klapdor-Kleingrothaus vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg berichtet nun im Fachmagazin Physik in unserer Zeit (Bd. 33, Nr. 4, S. 155), dass sein deutsch-russisches Team nach zehnjähriger Messzeit erste Hinweise auf die Existenz des so genannten neutrinolosen Doppelbetazerfalls gefunden hat.

Physikalische Teilchen können sich unter bestimmten Bedingungen ineinander verwandeln ? aber nicht beliebig, sondern sie müssen dabei gewissen Erhaltungsgesetzen gehorchen. Beim gewöhnlichen Betazerfall verwandelt sich beispielsweise ein Neutron in drei Teilchen: ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Bei diesem Zerfall sind unter anderem zwei Erhaltungssätze erfüllt.

Zum einen verändert sich nicht die elektrische Gesamtladung, denn das Neutron trägt keine Ladung. Nach dessen Zerfall gibt es ein positiv geladenes Proton, ein negativ geladenes Elektron und ein neutrales Antineutrino. Die Gesamtladung ist also vorher und nachher Null.

Zum anderen bleibt die so genannte Leptonenzahl erhalten. Leptonen sind Teilchen, die nicht die starke Wechselwirkung ? die Kraft, die die Atomkerne zusammenhält ? spüren. Das Elektron und das Neutrino sind Leptonen. Sie haben die Leptonenzahl 1. Ihre Antiteilchen, das Positron und das Antineutrino, tragen die Leptonenzahl ?1. Nach dem gewöhnlichen Betazerfall des Neutrons, das kein Lepton ist und somit die Leptonenzahl Null trägt, ist die Gesamtleptonenzahl somit nach wie vor gleich Null.

Beim jetzt von den Forschern beobachteten neutrinolosen Doppelbetazerfall verwandeln sich gleichzeitig zwei Neutronen in zwei Protonen und zwei Elektronen, ohne dabei Antineutrinos freizusetzen. Dieser Zerfall verletzt offensichtlich die Leptonenzahlerhaltung.

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Die Situation wäre jedoch „gerettet“, wenn einer der beiden Neutronenzerfälle wie ein gewöhnlicher Betazerfall verlaufen würde, also zusätzlich ein Antineutrino erzeugt, und beim anderen das Neutron, bevor es in Elektron und Proton zerfällt, ein zusätzliches Neutrino aufnehmen würde. Genau das geschieht gemäß den neueren Versionen der Teilchentheorien, denen zufolge Neutrino und Antineutrino identisch sind. Dann kann nämlich das beim einen Betazerfall ausgesandte (Anti-) Neutrino beim anderen Betazerfall aufgenommen werden. Von außen betrachtet erscheinen beide Betazerfälle als neutrinolos.

Das Team um Klapdor-Kleingrothaus gibt die Wahrscheinlichkeit dafür, dass es sich bei ihren Messungen im italienischen Untergrundlabor Gran Sasso tatsächlich um einen neutrinolosen Doppelbetazerfall handelt, mit 97 Prozent an. Die Halbwertszeit dieses Prozesses – also die Zeit, während der die Hälfte aller Protonen zerfallen ist – berechnen die Forscher zum 1500-billionenfachen des Alters unseres Universums. Die Masse des Neutrinos liegt ihren Berechnungen zufolge zwischen 0,05 und 3,4 Elektronenvolt.

Axel Tillemans
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