Forschungsbericht 2017 - Max-Planck-Institut für Kernphysik

Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen?

Autoren
Schwingenheuer, Bernhard; Heisel, Mark
Abteilungen
Teilchenphysik und Hochenergie-Astrophysik (Werner Hofmann)
Teilchen- und Astroteilchenphysik (Manfred Lindner)
Zusammenfassung
Trotz intensiver Forschung seit mehr als 60 Jahren wissen wir noch nicht, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind oder nicht. Dies hätte weitreichende Konsequenzen für Teilchenphysik und Kosmologie. Der neutrinolose Doppelbetazerfall könnte entscheidende Hinweise liefern. Das GERDA-Experiment sucht diesen bisher noch nicht gefundenen Zerfall für das Germanium-Isotop 76Ge. Derzeit hat GERDA die weltweit stärkste Unterdrückung von Störereignissen und die beste Energieauflösung, was ausgezeichnete Voraussetzungen für eine zukünftige Entdeckung des Zerfalls sind.

Neutrinos haben von allen uns bekannten Elementarteilchen die seltsamsten Eigenschaften. Als einzige fundamentale Bausteine der Materie besitzen sie keine elektrische Ladung und wechselwirken nur über die sogenannte schwache Kraft. Sie werden in großer Zahl zum Beispiel in den Kernfusionsprozessen in der Sonne produziert – von dort erreichen uns etwa 65 Milliarden Neutrinos pro Sekunde und Quadratzentimeter. Bei der Supernova-Explosion eines schweren Sterns wird fast die gesamte freiwerdende Energie durch Neutrinos abgestrahlt (Nobelpreis 2002 für die Entdeckung von kosmischen Neutrinos). Neben den Lichtquanten sind Neutrinos die am häufigsten vorkommende Teilchenart in unserem Universum. Trotz ihrer großen Anzahl ist es schwierig, sie nachzuweisen. Neutrinos durchfliegen uns Menschen ungehindert, und es bedarf großer Detektoren mit mehreren hundert Tonnen empfindlicher Masse, um ein paar wenige von ihnen aufzuspüren.

Das Rätsel der Neutrinos

original

Abb. 1: Schematische Darstellung des doppelten Betazerfalls mit der Emission von zwei Antineutrinos (links) und internem Neutrinoaustausch zwischen den beiden Zerfällen (rechts). Wenn Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind, existiert auch der neutrinolose Zerfall.

Lange Zeit vermutete man, dass Neutrinos - wie Lichtteilchen - masselos sind. In den letzten Jahrzehnten hat sich aber gezeigt, dass sie doch eine Masse besitzen, wenn auch eine extrem kleine. Diese Entdeckung wurde 2015 mit dem Nobelpreis gewürdigt. Da Neutrinos innerhalb des Standardmodells der Elementarteilchen keine Masse haben, bedarf es Erweiterungen des Modells. Viele dieser Ergänzungen gehen mit der Voraussage einher, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Solche Teilchen nennt man Majoranateilchen. Diese Eigenschaft könnte der Schlüssel sein, um die Abwesenheit von Antimaterie in unserem Universum zu erklären. Die Frage ist nun: Wie kann man den Majoranacharakter nachweisen? Auf der Suche nach möglichen experimentellen Tests sind Physiker schon vor über 60 Jahren auf den sogenannten neutrinolosen Doppelbetazerfall gestoßen.

Beim einfachen Betazerfall zerfällt ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein (Anti-)Neutrino. Elektron und (Anti-)Neutrino erhalten jeweils einen Teil der Zerfallsenergie und verlassen den Kern. Das Elektron lässt sich nachweisen, das (Anti-)Neutrino bleibt unbeobachtet. Es gibt eine Reihe von Kernen, bei denen der einfache Betazerfall wegen kernphysikalischer Gesetzmäßigkeiten nicht erlaubt ist, aber der gleichzeitige zweifache (doppelte) Betazerfall möglich ist (siehe Abb. 1 links). Der experimentelle Nachweis dieses schon 1935 vorhergesagten Prozesses gelang erst 1967. Dieser Zerfall ist sehr selten, wird aber vom Standardmodell erwartet. Seine Halbwertszeiten entsprechen jedoch typischerweise eine Milliarde mal dem Alter des Universums.

Falls das Neutrino aber ein Majoranateilchen ist, dann kann das Antineutrino des einen Betazerfalls als Neutrino beim anderen Zerfall absorbiert werden (siehe Abbildung 1 rechts). In dem Fall verlässt kein Neutrino den Kern (neutrinoloser Zerfall) und die Zerfallsenergie verteilt sich nur auf die beiden Elektronen. Aus dem Majoranacharakter folgt also die Existenz des neutrinolosen Doppelbetazerfalls. Allerdings ist die Halbwertszeit und damit die Häufigkeit unbekannt. Je nach Modell werden zusätzlich auch Prozesse vorhergesagt, die bei den LHC-Experimenten am CERN auftreten können. Neue Phänomene auf einer sehr hohen (LHC) und einer sehr niedrigen Energieskala (Doppelbetazerfall) können also den gleichen Ursprung haben, und die Beobachtung von beiden wäre eine hervorragende Möglichkeit, die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen.

Das GERDA-Experiment

original

Abb. 2: Schematischer Aufbau des GERDA-Experiments: Im Zentrum befinden sich 40 Germaniumdetektoren mit einer Masse zwischen 0,5 und 3 Kilogramm (nicht maßstabsgetreu). Die Detektoren befinden sich in einem 64 Kubikmeter großen Bad aus flüssigem Argon. Der doppelwandige vakuumisolierte Argonbehälter befindet sich in einem Wassertank mit 10 Meter Durchmesser. Darüber befinden sich ein Reinraum und eine Schleuse zum Einbringen der Detektoren.

Weltweit suchen Forscher mit mehr als einem Dutzend Experimenten mit unterschiedlichen Methoden und Isotopen nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall. Gemeinsam ist allen, dass sie die Summe der Energien der beiden Elektronen messen und nach einer Häufung (Linie) bei der Zerfallsenergie suchen. Das GERDA-Experiment [1] im Gran-Sasso-Untergrundlabor betreibt Germaniumdetektoren in einem großen Bad aus tiefkaltem flüssigem Argon (siehe Abb. 2). Das im Detektor enthaltene Isotop 76Ge kann über den gesuchten Prozess zerfallen. Zur Verbesserung der Detektionsempfindlichkeit wird in einem aufwändigen Prozess der 76Ge-Anteil von den natürlichen 7,8 Prozent auf 86 Prozent angereichert. Eine internationale Kollaboration (120 Wissenschaftler aus sechs europäischen Ländern) hat das Experiment aufgebaut, das seit Ende 2015 in einer zweiten Phase Daten sammelt. Zwei Max-Planck-Institute (MPI für Kernphysik und MPI für Physik) sind federführend.

Sollte man den neutrinolosen Doppelbetazerfall nachweisen, wäre es der seltenste Zerfall, den die Menschheit jemals gefunden hat. Allen Experimenten ist deshalb auch gemeinsam, dass Untergrundereignisse (Störereignisse), also Ereignisse im Detektor mit einer Energie nahe der Zerfallsenergie, die aber nicht vom neutrinolosen Doppelbetazerfall stammen, extrem stark unterdrückt werden müssen. Die Empfindlichkeit eine Linie zu sehen hängt entscheidend von der Anzahl der Untergrundereignisse ab. Optimale Empfindlichkeit erreicht man, wenn es so gut wie keine Störereignisse im Signalbereich gibt. Dann reichen schon wenige Ereignisse aus, den Zerfall zu beobachten.

Es gibt verschiedene Störquellen, gegen die bei GERDA geeignete Maßnahmen eingesetzt werden:

  • Aufgrund der kosmischen Strahlung wird die Erdoberfläche ständig mit Protonen, Neutronen, Gamma-Quanten und Myonen bestrahlt. Deshalb ist GERDA im Gran-Sasso-Untergrundlabor aufbaut: Das kilometerdicke Gestein des Gran Sasso absorbiert diese Teilchen komplett oder reduziert - im Falle von Myonen – deren Rate um eine Million.
  • Radioaktive Alpha-, Beta- und Gammastrahlung sowie Neutronen aus dem Gestein selbst und dem Beton des Labors stammen aus den Zerfallsketten von natürlichem Uran und Thorium. Diese Strahlungen lassen sich am besten durch Flüssigkeiten absorbieren, die selbst keine Verunreinigungen enthalten, da sie durch Destillation und andere Verfahren gereinigt wurden. Die GERDA-Detektoren hängen deshalb in einem großen Bad aus flüssigem und hochreinem Argon, das seinerseits nochmals von reinem Wasser umgeben ist.
  • Die Germaniumdetektoren selbst sind ebenfalls hochrein und - im Rahmen der Messgenauigkeit – frei von Uran- beziehungsweise Thorium-Verunreinigungen. Halterungen, Kabel und Elektronik werden im Vorfeld in einem aufwändigen Verfahren auf Radioaktivität untersucht und selektiert, um Störereignisse zu vermeiden. Das MPI für Kernphysik hat hierfür extrem empfindliche Messvorrichtungen.
  • Bei vielen Untergrundereignissen wird ein Teil der Energie außerhalb des Germaniums deponiert, häufig also im umgebenden Argon. Dies führt zu Lichtsignalen im Argon, die nachgewiesen werden, um diese Ereignisse zu verwerfen (siehe Abbildung 3).
  • Das Muster der Energiedeposition ist für Signal- und Untergrundereignisse in der Regel unterschiedlich. Diese Information steckt verschlüsselt im zeitlichen Verlauf des gemessenen Signals. Anhand einer Pulsformanalyse lassen sich bestimmte Klassen von Untergrundereignissen teils um mehr als einen Faktor 100 unterdrücken.
original

Abb. 3: Blick auf die Anordnung der Detektoren von unten. Die Detektoren (Mitte) sind von einer Folie aus Nylon umgeben. Außen sichtbar in grün sind Lichtwellenleiter für den Nachweis der Lichtblitze im Argon.

Um bei niedriger Statistik keine bewusst oder unbewusst verzerrten Ergebnisse zu erhalten, kommt bei GERDA eine sogenannte blinde Analyse zum Einsatz. Dazu werden in einem automatischen Verfahren Ereignisse im Energiebereich um die vermutete Linie zunächst nicht prozessiert. Erst nachdem die Kriterien für die Unterdrückung der Störereignisse festgelegt waren, wurden die zurückgehaltenen Ereignisse nach den gleichen Regeln untersucht. Es befinden sich bisher keine Ereignisse nahe der Zerfallsenergie (siehe Abb. 4). Und auch außerhalb des Signalbereichs verbleiben nur wenige Ereignisse, so dass es auch bis zum Ende der Datennahme wahrscheinlich keinen Eintrag vom Untergrund bei der fraglichen Energie geben wird. Wie oben beschrieben ist diese Abwesenheit von Untergrund die beste Voraussetzung für eine hohe experimentelle Empfindlichkeit. GERDA ist derzeit mit großem Vorsprung das einzige Experiment mit solchen Bedingungen.

Die statistische Analyse der bisher gesammelten Daten ergibt, dass die Halbwertszeit für den neutrinolosen Doppelbetazerfall von 76Ge mindestens 5,3×1025 Jahre betragen muss [2,3]. Das sind mehr als 14 Größenordnungen länger als das Alter des Universums. Die Datennahme wird noch zwei Jahre fortgesetzt. Dann wird das Experiment doppelt so empfindlich sein.

original

Abb. 4: In dem gezeigten Energiebereich verbleiben fünf Ereignisse nach allen Selektionen. Im Signalfenster (blau markiert) ist derzeit kein Ereignis. Bis zum Ende der Datennahme erwarten wir null oder ein Untergrundereignis im Fenster.

Ausblick

Aufgrund des Weltrekords bei der Unterdrückung von störenden Untergrundsignalen sollte der experimentelle Ansatz von GERDA auch in Zukunft führend sein. Hinzu kommt, dass die Genauigkeit der Energiemessung für Germaniumdetektoren bis zu 80-mal besser ist als bei anderen Experimenten. Somit lässt sich eine Linie bei einer bestimmten Energie entsprechend eindeutiger erkennen, das restliche Energiespektrum besser verstehen und die entsprechenden Beiträge des radioaktiven Untergrunds zuverlässiger identifizieren. Zusammengenommen hat der Ansatz von GERDA derzeit die besten Aussichten, ein Signal des neutrinolosen Doppelbetazerfalls überzeugend zu finden - falls er denn existiert. Vor diesem Hintergrund hat sich eine neue weltweite Kollaboration mit Namen LEGEND gebildet, deren Ziel es ist, mit mehr Germaniumdetektoren und nochmals reduziertem Untergrund die Empfindlichkeit um einen Faktor 10 bis 100 in der Halbwertszeit weiter zu verbessern.

Unabhängig davon, ob sich bis dahin der neutrinolose Doppelbetazerfall zeigt oder nicht, das Geheimnis der Neutrinos wird sich ein Stück weit lüften. Eine Entdeckung wäre ein gewaltiger Schritt für unser Verständnis der Natur.

Literaturhinweise

1.
Ackermann, K.-H. et al.
The GERDA experiment for the search of neutrinoless double beta decay in 76Ge
The European Physical Journal C 73 2330 (2013)
DOI
2.
Agostini, M. for the GERDA collaboration
First results from GERDA Phase II
Neutrino 2016 Conference, London
3.
GERDA Collaboration:
Background-free search for neutrinoless double-β decay of 76Ge with GERDA
Nature 544, 47–52 (2017)
DOI
Zur Redakteursansicht