Neutrino-Verwandlungstricks auf der Spur

Neutrinos ist eine ausgeprägte Ich-Schwäche eigen: Teilchen der einen Sorte verwandeln sich gern mal eben in solche der anderen. Ein Experiment in den USA soll diesen Tricks jetzt auf die Schliche kommen

Das Neutrino ist an sich schon ein seltsamer Kamerad. Obwohl in jeder Sekunde etwa 70 Milliarden dieser Elementarteilchen jeden einzelnen Quadratzentimeter durcheilen, blieb das unseren Vorfahren völlig unbemerkt - und das sind nur die Neutrinos, die bei Kernprozessen in der Sonne entstehen.

Im Gegensatz dazu reichen schon 30 das Auge treffende Photonen aus, einen Helligkeitseindruck zu erzeugen (beim Sonnenbaden wird die Haut aber immerhin von 10 Billiarden Lichtquanten getroffen, in einer mondlosen Nacht sind es noch 400 Millionen Photonen - jeweils pro Sekunde und Quadratzentimeter).

Erst durch offensichtliche Seltsamkeiten beim Beta-Zerfall kam die Wissenschaft überhaupt auf die Idee der Existenz eines „kleinen Neutrons“ - das war 1930. Es dauerte dann noch bis ins Jahr 2000, alle drei Vertreter der Neutrino-Familie nachzuweisen, nämlich das Elektron-Neutrino, das Myon-Neutrino und als letztes das Tauon-Neutrino (siehe Fermilab weist die Existenz von Tau-Neutrinos nach). Die ihnen gemeinsame Besonderheit besteht darin, dass sie nur über die schwache Wechselwirkung mit anderer Materie in Kontakt treten - sie führen deshalb ein ziemlich einsames Leben.

Die Neutrino-Oszillation

Mysteriös ist das Neutrino trotzdem noch geblieben. Zwar meint man inzwischen zu wissen, dass es eine Ruhemasse besitzt und damit wesentlich zur Gesamtmasse des Universums beiträgt. Doch wie groß diese Ruheenergie ist, dafür kennt die Forschung bisher nur Obergrenzen. Außerdem zeigte sich mittlerweile, dass Neutrinos gern zu Verwandlungstricks greifen. In einem Neutrino-Oszillation genannten Prozess wird aus einem Elektron-Neutrino ein Myon- oder Tauon-Neutrino - und umgekehrt. Der auf quantenmechanischer Grundlage funktionierende Trick fiel zuerst auf, als man die theoretische Neutrino-Produktion der Sonne, die sich aus gut bewährten Sonnen-Modellen berechnen lässt, mit praktischen Messungen verglich, die sich auf Elektron-Neutrinos beschränkten.

Das Phänomen der Neutrino-Oszillation ist inzwischen mehr als eine Theorie. Das komplette Spektrum der Verwandlungsmöglichkeiten konnte man bisher aber nicht beobachten. Interessant ist der Prozess auch aus einem anderen Grund: Er verrät mehr über die Masse der Neutrinos. Eine Voraussetzung für Neutrino-Oszillation besteht nämlich darin, dass die drei Vertreter unterschiedliche Ruhemassen besitzen. Doch wer ist am leichtesten, wer am schwersten? Detailwissen darüber fehlt der Wissenschaft noch.

Der Neutrino-Detektor: 20 Nachweise pro Jahr

Das soll nun ein Experiment ändern, das unter der Regie des amerikanischen Fermilab durchgeführt wird. Anfang Mai erfolgte der erste Spatenstich für den "NuMI Off-Axis Electron Neutrino Appearance"-Detektor. Lange Zeit war die Finanzierung des nicht ganz billigen Experiments unsicher gewesen - im Herbst 2007 hatte das US-Energieministerium zunächst 45 Millionen Dollar bewilligt, diese aber Ende 2007 wegen der wirtschaftlichen Unsicherheiten wieder gestrichen. Nun profitiert das Projekt von der Krise: Es erhält 50 Millionen Dollar aus Barack Obamas Konjunkturprogramm 2009.

Konstruiert wird der Detektor kurz vor der kanadischen Grenze - etwa 810 Kilometer entfernt vom Fermilab, das die Quelle des Neutrinostrahls NuMI beherbergt. Zwischen der Quelle und dem 15.000 Tonnen schweren Detektor bewegen sich die Neutrinos auf gerader Linie unter der Erdoberfläche, wegen deren Krümmung gelangen sie dabei maximal zehn Kilometer tief. Die Forscher hoffen, am anderen Ende besonders niederenergetische Neutrinos zu registrieren - bei etwa 2 GeV erwartet man die meisten Oszillationen.

Zudem wird der Detektor in einem Winkel von etwa 0,8 Grad zum eigentlichen Neutrinostrahl errichtet - auch dadurch verschiebt sich das Neutrinospektrum in Richtung niedrigerer Energien. Wenn alles läuft wie berechnet, käme man schließlich auf etwa 20 Nachweise - pro Jahr. Der 15,7 x 15,7 x 78 Meter große Detektor selbst besteht aus PVC-Blöcken, die mit Szintillator-Flüssigkeit gefüllt sind. Bevor der Detektor 2012 in Betrieb geht, wollen die Forscher auch den Neutrinostrahl NuMI noch von 400 kW auf 700 kW verstärken.