Aktuell: Terror | US-Wahl | Flüchtlinge in Deutschland und Europa | Zuwanderung Rhein-Main
Möchten Sie zur mobilen Ansicht wechseln?
Ja Nein

Wissen
Nachrichten aus Wissenschaft und Bildung

09. Juni 2012

Neutrinos und das Licht: Folgenreiche Verwandlungskunst

 Von Frank Grotelüschen
Das bisherige Weltbild der Physik behält Bestand: Neutrinos sind nicht schneller als das Licht.  Foto: dpa

Sie sind zwar nicht schneller als das Licht, dennoch begeistern Neutrinos auf einer Konferenz in Japan die Physiker: Die Geisterteilchen lenkten den Urknall so, dass es Materie im Universum gibt.

Drucken per Mail

Womöglich fliegen sie schneller als das Licht – eigentümliche Geisterteilchen namens Neutrinos. Diese Nachricht hatte im letzten Herbst die Fachwelt aufgeschreckt. Schließlich darf laut Albert Einstein nichts und niemand schneller reisen als mit Lichtgeschwindigkeit. Dann ermittelte der Neutrino-Detektor Opera in Italien die Laufzeit von Neutrinos, die am 700 Kilometer entfernten Kernforschungszentrum Cern in Genf erzeugt werden – mit dem Ergebnis, dass die Teilchen das kosmische Tempolimit um 60 milliardstel Sekunden übertreten.

Doch im Februar kamen ernste Zweifel auf: Es stellte sich heraus, dass bei Opera während der Experimente ein Kabel nicht richtig eingesteckt war. Am Freitag hat sich die Sensation endgültig in Wohlgefallen aufgelöst. Auf der Konferenz „Neutrino 2012“ im japanischen Kyoto wurden die Messdaten von mehreren Detektoren vorgestellt, die die Laufzeit-Versuche akribisch wiederholt hatten – darunter auch Opera mit korrekt eingestöpseltem Kabel. Das Resultat: Neutrinos sind doch nicht schneller als das Licht, Einsteins Relativitätstheorie ist gerettet. „Zwar ist das Ergebnis nicht so aufregend wie erhofft“, sagt Cern-Forschungsdirektor Sergio Bertolucci. „Aber in unserem tiefsten Herzen hatten wir alle damit gerechnet.“

Flüchtig wie Geister

Ein Dutzend Elementarteilchen kennen die Physiker, darunter Quarks und Elektronen. Die merkwürdigsten Urteilchen dürften die Neutrinos sein: Sie sind flüchtig wie Geister und reagieren kaum mit Materie, sodass sie durch uns Menschen und die gesamte Erde fliegen können, als wären sie Luft. Außerdem wiegen Neutrinos praktisch nichts und fliegen lichtschnell und in unvorstellbaren Mengen durchs Weltall.

Die Sonderlinge gibt es in drei Sorten: Das leichteste ist das Elektron-Neutrino, dann folgen das Myon- und schließlich das Tau-Neutrino. Seit 1998 weiß man, dass sich diese Sorten ineinander umwandeln können. Fachleute sprechen von Neutrino-Oszillationen.

Dennoch sorgte das Neutrino derzeit für leuchtende Physikeraugen. Der Grund: In China haben Forscher Messwerte registrierte, die eine spektakuläre Hypothese stützen. Womöglich sind Neutrinos dafür verantwortlich, dass es überhaupt Materie im Universum gibt – und damit Sterne, Planeten und das Leben.

Die Wissenschaftler des Daya-Bay-Experiments verwenden eine ungewöhnliche Produktionsstätte für Neutrinos. „Atommeiler erzeugen bei der Kernspaltung ungeheuer viele Neutrinos“, sagt Kam-Biu Luk von der Berkeley-Universität in den USA, einer der Projektleiter. „Für uns eine ideale Quelle.“ Konkret nutzen die Forscher die beiden benachbarten Atomkraftwerke Daya Bay und Ling Ao rund 50 Kilometer nördlich von Hongkong. In der Umgebung der insgesamt sechs Reaktoren stellten sie acht Neutrino-Detektoren auf – einige nur wenige hundert Meter, andere zwei Kilometer entfernt. „Jeder Detektor zählt unabhängig von den anderen die Neutrinos aus den Meilern“, erläutert Luk. „Anschließend vergleichen wir die Messwerte jener Detektoren, die dicht an den Reaktoren stehen, mit denen, die weiter entfernt sind.“

Sämtliche Detektoren können nur jene Neutrinosorte registrieren, die von den Atommeilern erzeugt wird, sogenannte Elektron-Neutrinos. Das Kalkül: Die nahe den Kraftwerken aufgestellten Detektoren sollten praktisch alle Teilchen, die sie überhaupt messen können, registrieren. Schließlich haben diese ja gar keine Zeit gehabt, sich zu verwandeln. Anders nach einer Flugstrecke von ein bis zwei Kilometern. Jetzt dürften sich manche der Neutrinos verwandelt haben, so dass sie den weit entfernten Detektoren durch die Lappen gehen.

Ende letzten Jahres begannen die Messungen. In Kyoto stellten die Forscher nun die neuesten Resultate vor: In den entfernten Detektoren registrierten die Physiker tatsächlich ein Neutrino-Defizit. Dort kamen ein paar Prozent weniger Geisterteilchen an als bei den Detektoren nahe der Kraftwerke. „Damit sind wir sicher, eine neue Variante von Neutrino-Oszillationen entdeckt zu haben“, sagt Kam-Biu Luk. Konkret gehen die Experten davon aus, dass sich einige der aus den Meilern kommenden Elektron-Neutrinos in Myon-Neutrinos umgewandelt haben.

Indizien dafür hatte es zwar schon durch andere Experimente in Japan, Frankreich und den USA gegeben. Doch die Resultate von Daya Bay dürfen nun als definitiver Beweis gelten. Damit ist die letzte von insgesamt drei Verwandlungs-Möglichkeiten entdeckt und vermessen. Das Erstaunliche: Es verwandeln sich mehr Neutrinos als von den Fachleuten erwartet. „Wir sind sehr überrascht“, sagt Caren Hagner, Physikerin an der Universität Hamburg. „Eigentlich hatten wir mit winzig kleinen Effekten gerechnet, doch die Oszillationsphänomene sind relativ stark.“

Was die Experten besonders verzückt: Weil die Verwandlungskünste so ausgeprägt sind, könnte laut Theorie ein anderes, höchst spannendes Phänomen existieren: Neutrinos könnten entscheidend dazu beitragen, dass sich Materie und Antimaterie nicht exakt gleich verhalten. Antimaterie ist quasi das Spiegelbild der uns vertrauten Materie: Antiteilchen besitzen dieselben Eigenschaften wie Teilchen, tragen jedoch eine entgegengesetzte elektrische Ladung. So sind Elektron und Positron gleich schwer, doch ersteres ist negativ, letzteres positiv geladen. Das Spektakuläre: Treffen beide aufeinander, vernichten sie sich gegenseitig und zerstrahlen zu purer Energie.

Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie?

Genau das bringt Physiker und Kosmologen in arge Erklärungsnot: Sie sind sich sicher, dass beim Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren gleich viel Materie und Antimaterie entstanden sein muss. Nur: Eigentlich hätte sich beides sofort wieder gegenseitig vernichten müssen, und zwar komplett. Übrig geblieben wäre ein Kosmos aus Strahlung, ein Weltall voller Licht. Da dem offenbar nicht so ist, muss es eine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie geben. Das winzige Ungleichgewicht hat dazu geführt, dass nach dem Urknall genügend Materie erhalten blieb, um Sterne und Planeten zu bilden.

Bislang können die Wissenschaftler diese Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie nur ansatzweise erklären. Die neuen Ergebnisse aus China legen nun nahe, dass dabei die Neutrinos eine entscheidende Rolle spielen – vorausgesetzt, Neutrinos und ihre Antiteilchen, die Antineutrinos, unterscheiden sich in ihrem Verhalten.

Das wiederum ist nur messbar, wenn die Neutrino-Oszillationen – wie jetzt in China bewiesen – relativ stark sind. „Jetzt können wir neue Experimente in Angriff nehmen“, sagt Caren Hagner. „Sie sollen zeigen, ob es die Asymmetrie zwischen Neutrinos und Antineutrinos tatsächlich gibt.“

Mit den heutigen Gerätschaften lassen sich solche Versuche jedoch nicht machen. Dafür brauchen die Wissenschaftler stärkere Neutrinoquellen und bessere Detektoren. An den Plänen dafür arbeiten die Experten unter Hochdruck. Europäische Physiker liebäugeln mit dem Gedanken, einen künstlichen Neutrinostrahl am Cern in Genf zu erzeugen und zu einem Detektor zu schicken, der im weit entfernten Finnland stehen soll.

„Auch in den USA denken wir über einen Versuch nach, bei dem wir einen künstlichen Neutrinostrahl von Chicago über eine Strecke von 1 000 Kilometern schicken“, erklärt Berkeley-Forscher Kam-Biu Luk. „Damit wollen wir vergleichen, ob das Verwandlungsverhalten der Neutrinos anders ist als das der Antineutrinos.“ Bis die Pläne Realität werden, dürften allerdings noch zehn Jahre ins Land gehen.

Sollte sich dann die Asymmetrie bestätigen, scheint folgendes Szenario möglich: Unmittelbar nach dem Urknall könnte es extrem schwere „Brüder“ und auch „Anti-Brüder“ der heutigen Neutrinos gegeben haben. Beide waren nicht stabil, sondern zerfielen binnen kurzem in andere, stabile Teilchen. Das Entscheidende: Wegen der kleinen Asymmetrie sind die superschweren Neutrinos auf andere Weise zerfallen als die superschweren Antineutrinos. Am Ende dieser Zerfallskaskaden ist dann mehr Materie als Antimaterie übriggeblieben – eine Laune der Naturgesetze, der wir unsere Existenz verdanken.

[ Wie wollen wir wohnen? Die neue FR-Serie - jetzt digital oder gedruckt vier Wochen lang ab 19,50 Euro lesen. Hier geht’s zur Bestellung. ]

Zur Homepage

Anzeige

comments powered by Disqus

Anzeige

Ressort

Nachrichten aus Wissenschaft und Forschung.

Gesundheitsgefahr

Pflanzengift in Kräutertee nachgewiesen

Als gesundheitlich bedenklich wurden bei einer Laboranalyse vier von sechs Pfefferminz- und Kräutertees eingestuft.

Bei einer Laboranalyse im Auftrag des NDR wurden in einer Stichprobe in vier von sechs Pfefferminz- und Kräutertees sogenannte Pyrrolizidinalkaloide entdeckt. Diese sollen krebserregend sein und auch Leberschäden verursachen.  Mehr...

Nordsee und Ostsee

Plastikmüll in Speisefischen

Auch der Kabeljau gehört zu den belasteten Arten.

Wissenschaftler finden in Speisefischen aus der Nord- und Ostsee Reste von Plastikmüll. Für Fischkonsumenten hat das nach Angaben des Studienleiters "wahrscheinlich keinerlei Auswirkungen". Mehr...

Videonachrichten Wissen
Schutz der Ozonschicht
Das Nasa-Satellitenfoto dokumentiert die Größe des Ozonlochs über der Arktis im Winter 1999/2000. Je dunkler das Blau, desto dünner die Ozonschicht.

Was ist Ozon? Wofür ist Ozon wichtig? Und wie groß ist derzeit das Ozonloch? Antworten auf diese und weitere Fragen gibt es hier.

Anzeige

Spezial
Kindermund tut Wahrheit kund (FR vom 22. November 2011)

Zeichen für den Klimawandel: Erderwärmung, saure Meere, Treibhauseffekt, Ozonloch, Wetterkapriolen und Naturkatastrophen.

Quiz

Wie tief erwärmen sich die Meere - welche Tierart hat nichts zu fressen durch Treibhausgase? Testen Sie Ihr Wissen im FR-Quiz.