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Mit verschiedenen Detektoren gewinnen die Astrophysiker hochreine Germanium-Einkristalle aus isotopen angereichertem Germanium-76
Mit verschiedenen Detektoren gewinnen die Astrophysiker hochreine Germanium-Einkristalle aus isotopen angereichertem Germanium-76 (Foto: GERDA Kollaboration)
  • Forschung

GERDA grenzt die Masse des Neutrinos ein

Neues von den Geisterteilchen

Nach fast zweijähriger Messzeit konnten Wissenschaftler der GERDA-Kollaboration im Gran-Sassso Untergrundlabor zeigen, dass Neutrinos wesentlich leichter sein müssen als bisher vermutet. Sie konnten damit eine frühere Aussage einer anderen Gruppe revidieren. „Die Auswertung der Daten der ersten Phase des GERDA-Experiments zeigt dies “, sagt TU-Professor Stefan Schönert, Sprecher der Kollaboration, die rund 100 Wissenschaftler umfasst. „Damit konnten wir den Bericht einer Gruppe des Heidelberg-Moskau-Experiments aus dem Jahr 2004 mit hoher Wahrscheinlichkeit widerlegen, denn unsere Anordnung hat die bisher höchste erreichte Empfindlichkeit.“

Neutrinos sind neben Photonen die häufigsten Teilchen im Universum. Sie werden oft Geisterteilchen genannt, weil sie als extrem leichte Partikel nur sehr selten mit der uns bekannten Materie wechselwirken. Dennoch stellen sie einen zwar unsichtbaren, aber bedeutenden Bestandteil des Universums dar, zu dessen Masse sie wahrscheinlich etwa die Hälfte beitragen. Sie bewegen sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit über phantastische Entfernungen, und ihre winzigen Massen haben wichtige Auswirkungen auf die Strukturen im Universum; so sind sie beispielsweise die treibende Kraft bei der Explosion von Supernovae. Eine besonders wichtige Eigenschaft wurde ihnen von Ettore Majorana in den 1930er Jahren zugeschrieben: Im Gegensatz zu allen anderen Teilchen, aus denen die uns umgebende Materie besteht, könnten Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sein.

Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen?

Um diese Theorie zu überprüfen, etablierten Forscher das GERDA (GERmanium Detector Array)-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien. Seit Herbst 2011 sollen dort Messungen die Frage klären, ob Neutrinos tatsächlich ihre eigenen Antiteilchen sind, und gleichzeitig ihre Masse bestimmen.

GERDA untersucht sogenannte Doppelbeta-Zerfallsprozesse des Germanium-Isotops Ge-76. Beim normalen Betazerfall zerfällt ein Neutron in einem Atomkern in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Für Kerne wie Ge-76 ist dieser Zerfall energetisch verboten, aber die gleichzeitige Umwandlung von zwei Neutronen unter Emission zweier Neutrinos ist möglich und wurde kürzlich von GERDA mit bisher unerreichter Präzision gemessen. Es handelt sich um einen der seltensten jemals beobachteten Zerfälle mit einer Halbwertszeit von etwa 2*1021 Jahren – das rund 100-milliardenfache Alter des Universums.

Noch interessanter wäre es jedoch, wenn Doppelbeta-Zerfallsprozesse zu beobachten wären, bei denen gar kein Neutrino frei wird. „Man stellt sich vor, dass in diesem Fall das Antineutrino des einen Betazerfalls vom zweiten beta-zerfallenden Neutron als Neutrino absorbiert wird, was nur möglich ist, wenn Neutrino und Antineutrino identisch sind“, erklärt Stefan Schönert. „Dies wiederum würde bedeuten, dass Neutrinos tatsächlich Majorana-Teilchen sind. Bisher haben wir in GERDA jedoch keinen solchen Prozess nachweisen können.“ Daraus lässt sich ableiten, dass die Halbwertszeit des neutrinolosen Doppel-Betazerfalls von 76Ge deutlich größer ist, als in einem früheren Experiment berichtet wurde.

Messungen tief unter der Erde

In dem Experiment sind Germaniumkristalle zugleich Quelle und Detektor des Zerfalls. Natürliches Germanium enthält nur ca. acht Prozent Ge-76, das deshalb um mehr als das Zehnfache angereichert wurde, bevor daraus die speziellen Detektorkristalle gezogen wurden. Die Suche nach einer Nadel im Heuhaufen ist eine Kleinigkeit gegenüber dem Nachweis des Doppel-Betazerfalls, weil die Radioaktivität der Umgebung einen mindestens milliardenfach stärkeren Untergrund darstellt. Die Detektorkristalle für GERDA und die sie umgebenden Teile wurden daher sehr sorgfältig ausgewählt und verarbeitet. Zur Beobachtung des äußerst seltenen Prozesses sind außerdem ausgefeilte Hardware- und Softwaretechniken erforderlich, um den Untergrund von kosmischen Teilchen, natürlicher Radioaktivität der Umgebung und sogar dem Experiment selbst weiter zu unterdrücken. Den Wissenschaftlern gelingt dies unter anderem, indem sie die Detektoren in der Mitte einer riesigen ‘Thermoskanne‘ betreiben, die mit extrem reinem flüssigem Argon gefüllt, mit hochreinem Kupfer ausgekleidet und von einem mit Reinstwasser gefüllten Tank von zehn Metern Durchmesser umgeben ist; der ganze Aufbau befindet sich unter 1400 Meter dickem Gestein.

Zweite Messphase folgt

Im Herbst 2011 starteten die Messungen mit zunächst acht Detektoren von der Größe je einer Getränkedose und jeweils etwa zwei Kilogramm Gewicht; später kamen fünf weitere Detektoren neuer Bauart hinzu. Das Experiment hat jetzt seine erste Phase abgeschlossen und 21 kg-Jahre an Daten gesammelt. Deren Analyse ergab kein Signal des neutrinolosen Doppel-Betazerfalls in Ge-76. Falls dieser Prozess dennoch existiert, muss er eine Halbwertszeit besitzen, die länger ist als 2,1*1025 Jahre. Dieses Resultat widerlegt mit hoher Wahrscheinlichkeit den Befund einer Gruppe des Heidelberg-Moskau-Experiments, ein Signal gefunden zu haben. Ergebnisse anderer Experimente verstärken diesen Befund weiter;. Die Untergrenze für die Halbwertszeit ist gleichbedeutend mit einer Obergrenze der Majorana-Neutrinomasse von 0,2-0,4 eV. Kleinere Massen werden in den zukünftigen Phasen von GERDA untersucht. In einem nächsten Schritt sollen dafür nun zusätzliche neu hergestellte Detektoren eingesetzt und damit die Menge von Ge-76 verdoppelt werden. Sobald einige weitere Verbesserungen zur noch stärkeren Untergrundunterdrückung umgesetzt sind, soll gegen Ende des Jahres eine zweite Messphase folgen.

GERDA ist eine europäische Kollaboration, die Wissenschaftler aus 16 Forschungsinstituten oder Universitäten in Deutschland, Italien, Russland, der Schweiz, Polen und Belgien umfasst. In Deutschland sind neben der Technischen Universität München die Max-Planck-Institute für Kernphysik in Heidelberg und für Physik in München, die Universität Tübingen und die Technische Universität Dresden beteiligt. Die Max-Planck-Gesellschaft ist ein wesentlicher Geldgeber des Projekts; die Universitäten werden durch die BMBF-Verbundforschung Astroteilchenphysik und von der DFG über die Exzellenz-Initiative unterstützt. Die Forschergruppe der TU München ist maßgeblich an der Konzeption des Experiments, der Entwicklung der Germanium-Detektoren für Phase I und II und deren Modellierung beteiligt, außerdem entwickelte sie große Teile der Software zur Auswertung und Interpretation der Messdaten und hat eine zentrale Rolle in der Instrumentierung des flüssigen Argon.

Kontakt:
Technische Universität München
Lehrstuhl für Experimentelle Astroteilchenphysik
Prof. Dr. Stefan Schönert                                                             
Tel: +49 89/289-12511/-12522
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