Warum das halbe Universum fehlt

1930 arbeitete der Österreicher Wolfgang Pauli als theoretischer Physiker an der ETH Zürich. In jenem Jahr postulierte er die Existenz jenes ungeladenen Elementarteilchens, das heute als 'Neutrino' bekannt ist. Seither sind fast 90 Jahre vergangen. Die Wissenschaft hat unterdessen herausgefunden, dass es drei Arten von Neutrinos (Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino, Tau-Neutrino) gibt – und dass das Neutrino entgegen einer früheren Annahme eine Masse hat (die sehr gering ist). „Da das Neutrino eine Masse hat, ist das Standardmodell der Teilchenphysik weiterhin nicht komplett, denn das Standardmodell geht von einem masselosen Neutrino aus“, sagt Alain Blondel, einer der führenden Neutrino-Experten, der die Universität Genf zusammen mit Teresa Montaruli zu einem Epizentrum der Schweizer Neutrino-Forschung macht.

Fortschritte in der Neutrinoforschung

Auch 90 Jahre nach der Entdeckung ist das Neutrino immer noch ein grosses Rätsel. Das weiss kaum einer besser als Alain Blondel. Der gebürtige Franzose erforscht dieses mysteriöse Teilchen seit bald 50 Jahren. In seiner Doktorarbeit in den frühen 70er Jahren hat sich der an der Ecole Polytechnique Paris und in Berkeley (USA) ausgebildete Physiker erstmals mit dem Neutrino befasst. Er forschte damals an der Blasenkammer Gargamelle, mit der 1973 am CERN 'neutrale Ströme' entdeckt wurden, eine neue Wechselwirkung zwischen Neutrinos und Materie. Der Rumpf dieser Blasenkammer ist heute ein Museumsstück auf dem CERN-Gelände in Meyrin. „Die Blasenkammer brach 1978 zusammen und ich war gezwungen, meine Dissertation früher als geplant abzuschliessen“, erzählt Blondel mit einem Schmunzeln.

In den 1980er Jahren hat er dann am CERN mit dem ALEPH-Experiment am LEP – dem Vorgänger im gleichen Tunnel wie der aktuelle Teilchenbeschleuniger LHC – sehr exakte Messungen von Neutrinos durchgeführt. Aus den Ergebnissen konnten die Forscher mit Sicherheit ableiten, dass es nicht mehr als die drei bekannten Arten von Neutrinos gibt. Ein weiterer Meilenstein der Neutrino-Forschung, an dem Blondel ebenfalls beteiligt war, datiert von 2013: Damals stellten Neutrinoforscher am T2K-Experiment in Japan stolz fest, dass sich Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos verwandeln können. Diese Verwandlung bezeichnen Physiker auch als 'Oszillation'. Mit dem T2K-Experiment schicken Physiker seit dem Jahr 2010 jede Sekunde 10'000 Milliarden Neutrinos auf eine 300 Kilometer lange Reise von der Ostküste (Tokai) zur Westküste (Kamioka) Japans (von Tokai nach Kamioka, kurz: T2K). Die 300 km lange Reise dauert zwar nur eine Millisekunde; das ist genau die richtige Zeitperiode, dass ein Neutrino oszilliert, sich also in andere Neutrino-Arten verwandelt, wie die Wissenschaftler mit ihrem Experimenten feststellen können.

Neutrinos und Antineutrinos ticken verschieden

Anfang August konnte die T2K-Kollaboration, an der 500 Wissenschaftler aus elf Staaten – darunter die Schweiz – beteiligt sind, wieder ein aufsehenerregende Ergebnis bekannt geben. Diesmal haben die Neutrino-Forscher ausgewertet, wie viele Myon-Neutrinos sich auf ihrer Reise in Elektron-Neutrinos verwandeln. Gleichzeitig werteten sie aus, wie viele Anti-Myon-Neutrinos sich in Anti-Elektron-Neutrinos verwandeln. Die noch provisorischen Erkenntnisse der Forscher legen nahe, dass sich Myon-Neutrinos und Antineutrinos nicht mit der gleichen Wahrscheinlichkeit verwandeln. Das bedeutet: Neutrinos (Materie) scheinen sich anders zu verhalten als Antineutrinos (Antimaterie).

Sollte sich diese Beobachtung bei der Aufzeichnung und Auswertung weiterer Daten des T2K-Experiments und eines kompetitiven Experiments in den USA während der nächsten Jahre erhärten, hätte dies mitunter weitreichende Folgen: Es wäre ein wichtiges Puzzleteilchen zur Beantwortung der wichtigen Frage, warum unser Universum praktisch nur aus Materie besteht, während die gleiche Menge an Antimaterie, die beim Urknall ebenfalls existiert haben muss, verschwunden zu sein scheint. Damit der Nachweis einer Materie-Antimaterie-Asymmetrie der Neutrino-Oszillation statistisch signifikant gelingt, müssen an T2K in den nächsten Jahren noch viele Daten ausgewertet werden. Damit dies möglich ist, wird das Experiment laufend verbessert und voraussichtlich ab 2025 in Kamioka ein 10 mal leistungsfähigerer Detektor mit dem Namen 'HyperK' in Betrieb genommen, dessen Finanzierung unlängst der japanischen Regierung vorgeschlagen wurde. Gelingt der Kollaboration der Nachweis dieser Materie-Antimaterie-Symmetrie von Neutrinos, wären dies wohl Nobelpreis-verdächtig.

Schweizer Physiker an vorderster Front

Schweizer Teilchenphysiker haben zum T2K-Experiment seit den Anfängen im Jahr 2002 massgebliche Beiträge geleistet: Sie haben mit fünf Doktorarbeiten am NA61-Experiment des CERN Grundlagen bereitgestellt, um die Zahl der produzierten Neutrinos und Antineutrinos an der Quelle des T2K-Experiments sehr genau zu bestimmen. Wichtige Beiträge leisteten Schweizer Wissenschaftler aus für den Detektor in Tokai, mit dem die Neutrinos untersucht werden, bevor sie ihre 300-km-Reise antreten: Physiker der ETH Zürich (Gruppe um Prof. Andrea Rubbia) und der Universität Bern (Gruppe um Prof. Antonio Ereditato) haben den Magneten betreut, mit dem die Teilchen kontrolliert werden, die daraufhin in diejenigen Neutrinos zerfallen die von Tokaj nach Kamioka fliegen. Forscher der Universität Genf um Alain Blondel unterstützten den Bau der sogenannten 'tracking chamber' des Detektors. Beiträge leisteten Schweizer Wissenschaftler auch im Management des Experiments.

Es bleibt noch viel zu tun, um das Neutrino-Puzzle zu lösen. Wissenschaftler wollen in Zukunft insbesondere einer bisher ungeklärter Eigentümlichkeit von Neutrinos auf die Schliche kommen: Nach bisheriger Beobachtung dreht sich der Spin aller Neutrinos stets im Gegenuhrzeigersinn (linksdrehend), und das, obwohl das Neutrino wie alle Teilchen, die über eine Masse verfügen, mit beiden Spinrichtungen (links- und rechtsdrehend) zu beobachten sein müsste. Neutrino-Theorien lassen vermuten, dass Neutrinos mit rechtsdrehendem Spin durchaus existieren könnten, dass man diese Teilchen mit den heute verfügbaren Instrumenten aber nicht beobachten konnte, weil gemäss dem angenommenen See-Saw-Mechanismus rechtsdrehende Neutrinos mit einer grossen Masse ausgestattet sind, die so gross sein könnte, dass man sie bisher nicht erzeugen konnte. „Es ist eine sehr naheliegende Hypothese, dass dieses rechtsdrehende Neutrino zur Erklärung beitragen könnte, warum unser Universum nur aus Materie besteht und nicht aus einer gleichen Menge an Antimaterie“, sagt Alain Blondel, und ergänzt: „Wenn wir den Überschuss der Materie erklären könnten – eine der wichtigsten Fragen der Gegenwart –, wäre das fantastisch. Die jüngsten Resultate sind ein erster Schritt in diese Richtung.“

Autor: Benedikt Vogel