Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur

Abb./©: JUNO Collaboration/IceCube Collaboration JUNO-Detektor (links), IceCube-Detektor (rechts)

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) federführend beteiligt sind, zeigt nun: Das Rätsel der Neutrino-Massenordnung könnte bereits in den nächsten Jahren gelöst sein. Denn mit der kombinierten Leistungsfähigkeit zweier neuer Neutrino-Experimente am Horizont – dem Upgrade des IceCube-Experiments am Südpol und dem Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in China – werden die Physiker bald Zugang zu sehr viel empfindlicheren und sich ergänzenden Messungen der Neutrino-Massenordnung haben.

Neutrinos sind die Chamäleons unter den Elementarteilchen
Neutrinos werden von natürlichen Quellen, etwa im Sonneninneren und anderen astronomischen Objekten, aber auch in Kernkraftwerken in riesigen Mengen erzeugt. Normale Materie – einschließlich unseren Körper – durchdringen sie jedoch völlig ungehindert. Das macht den Nachweis dieser "Geisterteilchen" extrem aufwendig und erfordert gewaltige Detektoren, um wenigstens ein paar der seltenen Reaktionen nachzuweisen.

Neutrinos kommen in drei unterschiedlichen Arten vor, als Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Sie können sich ineinander umwandeln – ein Phänomen, das die Forscher als Neutrinooszillationen bezeichnen. Aus dem beobachteten Oszillationsmuster lassen sich auch Rückschlüsse auf die Masse der Teilchen ziehen. Die Frage, die die Physiker seit Jahren umtreibt, ist: Welches der drei Neutrinos ist das leichteste, welches das schwerste? Prof. Dr. Michael Wurm, Physiker am Exzellenzcluster PRISMA+ und am Institut für Physik der JGU, ist maßgeblich am Aufbau des JUNO-Experiments in China beteiligt. "In der Beantwortung dieser Frage sehen wir einen wichtigen Schritt, um langfristig Informationen über die Verletzung der Materie-Antimaterie-Symmetrie im Neutrinosektor gewinnen zu können", betont der Mainzer Physiker. "Deshalb versprechen wir uns davon schlussendlich Antworten auf die Frage, weshalb sich Materie und Antimaterie nach dem Urknall nicht vollständig gegenseitig vernichtet haben."

Weltweite Zusammenarbeit zahlt sich aus
Beide Großexperimente nutzen sehr unterschiedliche und komplementäre Wege, um das Rätsel der Neutrino-Massenordnung zu lösen. "Da liegt es nahe, die erwarteten Ergebnisse beider Experimente zu kombinieren", erläutert Prof. Dr. Sebastian Böser, der ebenfalls am Exzellenzcluster PRISMA+ und am Institut für Physik der JGU an Neutrinos forscht und maßgeblich am IceCube-Experiment beteiligt ist.

Gesagt, getan: In der aktuellen Ausgabe der Physical Reviews D beschreiben Forscher der IceCube- und der JUNO-Kollaboration eine kombinierte Analyse ihrer jeweiligen Experimente. Dazu gingen die Autoren zunächst davon aus, dass jedes Experiment eine bestimmte Zeit gelaufen war und simulierten dann die vorhergesagten experimentellen Ergebnisse. Diese Ergebnisse variieren je nachdem, ob die Neutrino-Massen einer normalen oder umgekehrten (invertierten) Ordnung folgen. Als nächstes führten die Physiker einen statistischen Test durch, in dem sie die simulierten Ergebnisse beider Experimente einer gemeinsamen Analyse unterzogen. Diese verriet ihnen die Empfindlichkeit dafür, dass beide Experimente kombiniert die korrekte Ordnung vorhersagen beziehungsweise die falsche Ordnung ausschließen können. Da die Ergebnisse von JUNO und IceCube sehr spezifisch von der tatsächlichen Neutrino-Massenordnung abhängen, hatte ihr kombinierter Test eine sehr viel stärkere Unterscheidungskraft als jedes der Einzelexperimente: In Kombination können die Experimente so die falsche Neutrino-Massenordnung innerhalb von drei bis sieben Jahren Messzeit definitiv ausschließen.

"Das Ganze ist in diesem Fall mehr als die Summe seiner Teile", lautet das Fazit von Prof. Dr. Sebastian Böser. "Es unterstreicht eindrucksvoll die Bedeutung komplementärer experimenteller Ansätze zur Lösung der verbleibenden Rätsel der Neutrinos." Und Prof. Dr. Michael Wurm ergänzt: "Weder das IceCube-Upgrade noch JUNO können das allein erreichen – und auch keines der anderen Experimente, die es derzeit gibt. Darüber hinaus ist es ein schönes Beispiel für die Zusammenarbeit der Neutrinophysiker hier in Mainz."

IceCube und seine Erweiterung
IceCube ist der größte Teilchendetektor der Welt. Er wurde im Dezember 2010 fertiggestellt und sammelt seither Daten über Neutrinos aus dem Weltall. Er besteht aus einem Kubikkilometer Eis und liegt direkt bei der Amundsen-Scott-Station am geografischen Südpol. An 86 Kabeltrossen sind jeweils 60 Glaskugeln angebracht, die in Tiefen zwischen 1,45 und 2,45 Kilometer reichen. Diese Kugeln umschließen hochempfindliche Lichtsensoren, die das bläuliche Tscherenkow-Leuchten auffangen, das bei Neutrino-Reaktionen entsteht. Zu den bisher 5.160 Sensoren kommen mit dem Upgrade weitere 700 neue Sensoren hinzu, die in sehr engem Abstand an sieben Kabeltrossen befestigt sind. Sie werden unter dem Zentrum des jetzigen Detektors etwa 1,6 Kilometer tief installiert.

Das Untergrundlabor JUNO
Der JUNO-Detektor, kurz für Jiangmen Underground Neutrino Observatory, wird aktuell in einem eigens geschaffenen Untergrundlabor aufgebaut, das in etwa 50 Kilometern Abstand zu zwei Reaktorkomplexen an der südchinesischen Küste liegt. Die von den Reaktoren ausgesandten Neutrinos werden anhand kleiner Lichtblitze im Szintillatortarget des Detektors nachgewiesen. 20.000 Tonnen einer mineralölähnlichen Flüssigkeit befinden sich gut abgeschirmt von äußerer Strahlung in einer 35 Meter durchmessenden Plexiglassphäre im Zentrum des Detektors, dessen Oberfläche dicht mit Lichtsensoren bestückt ist.