Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Physik

Woher kommt die Materie im Universum? Spurensuche mit Neutrinos

Autoren
Majorovits, Béla
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Physik, München
Zusammenfassung
Sind Neutrinos für die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum verantwortlich? Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen? Das Experiment GERDA soll mit der Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall Antworten auf diese Fragen finden.   

Rund 70 Prozent des Universums besteht aus einer unbekannten Dunklen Energie, 25 Prozent aus einer bisher nicht beobachtbaren Dunklen Materie. Aber selbst der bescheidene Anteil bekannter Materie bereitet uns Kopfzerbrechen: Mit dem Urknall sollten Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen entstanden sein. Wenn beide aufeinandertreffen, löschen sie sich gegenseitig aus. Warum gibt es also überhaupt Materie im Universum?

Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen?

Das Neutrino, das leichteste massebehaftete bekannte Elementarteilchen, könnte eine Antwort auf diese Frage liefern. Wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist, hätte der Zerfall von schweren Neutrinos im frühen Universum zu einem Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht und damit zur heutigen Materiedominanz führen können. Auch ein zweites Rätsel ließe sich damit entschlüsseln: Warum sind Neutrinos im Vergleich zu den anderen Elementarteilchen so leicht? Ob Neutrinos identisch mit Anti-Neutrinos sind, gehört daher zu den zentralen Fragen in der modernen Teilchenphysik.

Gegenwärtig kennen wir nur eine Methode, wie diese Frage experimentell beantwortet werden kann: Die Messung des sogenannten neutrinolosen Doppelbetazerfalls (0νββ-Zerfall). Dieser kann nur stattfinden, wenn Neutrino und Antineutrino identisch sind.

Beim normalen Betazerfall wandelt sich im Atomkern ein Neutron in ein Proton um. Dabei werden ein Elektron und ein Antineutrino freigesetzt. Es kann vorkommen, dass gleichzeitig zwei Neutronen zu zwei Protonen zerfallen und dabei zwei Elektronen und zwei Antineutrinos aussenden. Dieser Zerfall kann tatsächlich bei einigen Atomkernen beobachtet werden, zum Beispiel beim Germaniumisotop Ge-76. Allerdings ist er extrem selten. 

Der doppelte Betazerfall könnte auch ohne Neutrinos ablaufen – jedoch nur, wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Beim 0νββ-Zerfall würden sich die zwei Anti-Neutrinos gegenseitig auslöschen, weil sie ihre eigenen Antiteilchen sind.

Die Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall

Das Rezept, um den 0νββ-Zerfall zu beobachten klingt einfach: Man baut einen Strahlungsdetektor aus einem Material, in dem Doppelbetazerfall stattfinden kann und sucht dann nach einem Signal genau bei der Energie, die dem Massenunterschied zwischen Mutter- und Tochterkern entspricht. Dies wäre die erwartete Energie, die beim 0νββ-Zerfall frei wird.

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Abb.1: Energiespektrum des Doppelbetazerfalls (schwarze Linie) und die erwartete Linienstruktur bei 2040 Kiloelektronenvolt für den neutrinolosen Doppelbetazerfall von Ge-76 (rote Linie). Die Höhe der Linienstruktur ist nicht maßstabgetreu. Wird im Energiespektrum des Experiments eine derartige 0𝜈ββ Linienstruktur bei der Energie von 2040 Kiloelektronenvolt gefunden, wäre dies ein direkter Hinweis, dass das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist.

Beim normalen Doppelbetazerfall wird nur ein Teil der frei werdenden Energie nachgewiesen, da die zwei Neutrinos dem Detektor ohne Wechselwirkung entweichen. Die Signatur des 0νββ-Zerfalls ist also eine Linienstruktur genau bei der gesuchten Energie (Abb. 1).

Leider hat die Sache einen Haken: Die Halbwertszeit dieses Zerfalls beträgt – wie man bereits weiß – mehr als 1026 Jahre und ist damit viel länger als das Alter des Universums von etwas mehr als 1010 Jahren. Die erwarteten Zerfallsraten sind deshalb extrem niedrig. Pro 10 Kilogramm Material (circa 1026 Ge-76-Kerne) ist höchstens ein Zerfall pro Jahr zu erwarten. Daher braucht man sehr viele Kerne, um überhaupt eine signifikante Anzahl dieser Zerfälle beobachten zu können – falls es ihn wirklich gibt. 

Gleichzeitig ist es wichtig, das Experiment so rein wie möglich zu halten, da jede Form von Radioaktivität ein Signal vortäuschen kann. Die Herausforderung dabei: Man muss Strahlungsdetektoren mit ausreichend Material bereitstellen und in einer Umgebung möglichst ohne sonstige Radioaktivität betreiben..

Ungestörte Messungen im GERDA-Experiment

Germanium ist ein geeignetes Material für den Nachweis des 0νββ-Zerfalls. Dies ließ sich durch Messungen im Germanium Detector Array (GERDA)-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor bestätigen [1]. GERDA (Abb. 2), an dem die MPIs für Kernphysik und für Physik federführend beteiligt sind, verwendet Strahlungsdetektoren aus Germanium, die mit dem Isotop Ge-76 angereichert sind. Mit diesen sehr reinen Detektoren lässt sich die von radioaktiven Zerfällen erzeugte Strahlungsenergie, die im Detektor deponiert wird, exakt bestimmen.

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Abb. 2: Schematischer Aufbau des GERDA Experiments: Die 40 Germaniumdetektoren befinden sich im Zentrum eines Kryostaten, der mit flüssigem Argon gefüllt ist. Die Detektoren sind umgeben von Lichtsensoren. Der Argontank ist in einen Wassertank eingebettet.

Um den seltenen Vorgang messen zu können, muss das Experiment abgeschirmt werden: Zum einen gegen Myonen aus der kosmischen Strahlung. Deswegen befindet sich das Experiment im LNGS-Untergrundlabor im Gran Sasso-Bergmassiv in Italien, wo 1,4 Kilometer Fels ein wirksames Bollwerk gegen Myonen bilden. Zum anderen muss das Experiment vor natürlicher Radioaktivität geschützt werden, die zum Beispiel von Laborwänden oder dem Tankmaterial abstrahlt.

Die 40 Detektoren des Experiments hängen in einem 4 Meter hohen Tank, der mit flüssigem Argon gefüllt ist. Das hochreine Argon dient als Abschirmung gegen Radioaktivität, als Kühlmedium für die Detektoren und als Detektor für Untergrundstrahlung [2]. Radioaktive Strahlung kann Energie im Argon deponieren; diese erzeugt messbare Lichtblitze. Damit können Signale, die gleichzeitig im Argon und im Germanium auftreten, eindeutig als Untergrund enttarnt werden. Der Argontank wiederum sitzt in einem mit Lichtsensoren ausgestatteten Wassertank. Damit können Myonen der kosmischen Strahlung nachgewiesen werden, die es durch den Fels in das Untergrundlabor schaffen (Abb. 2).

In seiner zweiten Ausbaustufe nimmt das Experiment seit Dezember 2015 Daten. Es konnte bereits eindrucksvoll gezeigt werden, dass im relevanten Energiebereich innerhalb der bisherigen gesamten Messzeit von drei Jahren kein von Umgebungsradioaktivität erzeugtes Untergrundereignis zu erwarten ist: Eine wesentliche Voraussetzung, um die angestrebte Empfindlichkeit zu erreichen. Die Empfindlichkeit des Experiments für den Nachweis des 0νββ-Zerfalls liegt inzwischen nahe bei 1026 Jahren [3]. Das bedeutet: Sollte der Zerfall in 10 Kilogramm Ge-76 nur ein Mal pro Jahr vorkommen, könnte er dennoch nachgewiesen werden.

Bislang konnten wir keinen des 0νββ-Zerfall nachweisen. In den kommenden Jahren will die neu gegründete LEGEND-Kollaboration mit den für GERDA entwickelten Technologien die Detektormasse so weit erhöhen, dass sich der 0νββ-Zerfall auch dann nachweisen lässt, wenn die Halbwertszeit bis zu 1028 Jahre beträgt [4]. Damit verstärken wir unsere Anstrengungen, einen Prozess zu beobachten, der die Existenz der uns bekannten Materie im Universum erklären könnte.

Literaturhinweise

1.
GERDA Collaboration, M. Agostini et al.
Background-free search for neutrinoless double-β decay of 76Ge with GERDA
Nature 544, 47–52 (2017)
2.
GERDA Collaboration, 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)
3.
GERDA Collaboration, M. Agostini et al.
Searching for neutrinoless double beta decay with GERDA, to appear in the proceedings of TAUP2017
arXiv: 1710.07776 arXiv: 1710.07776
4.
LEGEND Collaboration: N. Abgrall et al.
The Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double Beta Decay (LEGEND), Proceedings of the MEDEX'17 meeting
arXiv: 1709.01980
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