Einleitung

Neutrinos mussten in der Vergangenheit schon öfter als Erklärung herhalten, wenn die Beobachtungen nicht zu den Vorstellungen passten: Um Energie- und Drehimpulserhaltung im β-Zerfall zu retten, postulierte Pauli 1930 die Existenz des Neutrinos als ein sehr leichtes, wenn nicht sogar masseloses neutrales Teilchen, das aufgrund seiner geringen Wechselwirkung mit Materie kaum nachzuweisen ist. Ein Vierteljahrhundert später gelang Cowan und Reines der experimentelle Nachweis des Neutrinos. Später konnten Lederman, Schwartz und Steinberger beweisen, dass es mehr als eine Sorte von Neutrinos gibt. Inzwischen kennen wir drei Neutrinosorten (Elektron-, Myon- und Tauneutrino), die jeweils nach ihrem geladenen Partner in der schwachen Wechselwirkung (Elektron, Myon und Tauon) benannt und fester Bestandteil des Standardmodells der Teilchenphysik sind. Alle 6 Teilchen und ihre Antiteilchen bilden die Familie der Leptonen.

Im Volksmund werden Neutrinos gerne als Geisterteilchen bezeichnet, weil sie aufgrund ihres geringen Wirkungsquerschnitts nur sehr schwer nachzuweisen sind. So streuen Antineutrinos aus einem Kernreaktor mit Wassermolekülen im Mittel erst nach einer unvorstellbar langen Strecke von 30 Lichtjahren. Experimente benötigen zum Nachweis daher riesige Detektoren und sind zur Abschirmung der störenden kosmischen Strahlung meist in Untergrundlaboren aufgebaut.

In den 70er- bis 90er-Jahren des vorigen Jahrhunderts tauchten neue scheinbare Widersprüche bei den Neutrinos von der Sonne und den durch kosmische Strahlung in der äußeren Atmosphäre entstehenden Neutrinos auf, die unser Verständnis der Teilchen- und der Astrophysik entscheidend verändern sollten. Die radiochemischen Experimente GALLEX/GNO unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) und später SAGE sowie die Tscherenkow-Detektoren-Kamiokande und Super-Kamiokande bestätigten erstmals zweifelsfrei das schon von Davis [1] gefundene deutliche Defizit der solaren Neutrinos. Die Tscherenkow-Experimente sowie große Eisendetektoren fanden auch für den Fluss der atmosphärischen Neutrinos eine unerwartete Abweichung. Daraufhin wurden zunächst die Messungen kritisch betrachtet und nach astrophysikalischen Erklärungen gesucht, doch mit den immer klarer werdenden experimentellen Ergebnissen kamen immer ernsthafter die Neutrinoeigenschaften als Erklärungsmöglichkeit ins Spiel.

Neutrinooszillationen

Das Phänomen der Mischung von Neutrinos bedeutet, dass die sogenannten Wechselwirkungszustände, d. h. die 3 Arten von Neutrinos, keine Teilchen mit wohldefinierter Masse sind, sondern eine quantenmechanische Überlagerung von Teilchen mit verschiedener Masse. Diese Mischung zwischen Wechselwirkungs- und Massenzuständen wird mit Mischungswinkeln beschrieben. Neutrinomischung kann zu dem Phänomen der Neutrinooszillationen führen, wenn Neutrinos in gewisser Entfernung vom Produktionsort wieder detektiert werden. Auf dem Weg vom Produktionsort zum Detektor erhalten die verschiedenen Massenzustände unterschiedliche quantenmechanische Phasen, und es kommt zu einer Interferenz. Dieser Effekt ist analog zum Doppelspaltexperiment, bei dem Lichtwellen mit unterschiedlichen Wegen Interferenzmuster erzeugen. Im Fall von Neutrinos führt das zu dem Effekt, dass sich der Wechselwirkungszustand ändern kann. So kann ein Neutrino, das als Elektronneutrino produziert wurde, beim Detektor mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit als Myonneutrino beobachtet werden. Die Übergangswahrscheinlichkeit hängt vom Mischungswinkel und von der Differenz der Neutrinomassen ab und zeigt ein Oszillationsverhalten als Funktion der Neutrinoenergie und der Entfernung zwischen Produktion und Detektion (Abb. 1).

Neutrinooszillationen werden inzwischen in einer Reihe von Experimenten beobachtet, die verschiedene Neutrinoquellen benützen. Im Sommer 1998 stellte die Super-Kamiokande-Kollaboration [2] ihre Winkelabhängigkeit des atmosphärischen Neutrinoflusses vor: Von unten kommende Myonneutrinos sind deutlich gegenüber den von oben kommenden unterdrückt, während die Verteilung für Elektronneutrinos symmetrisch ist. Das konnte eigentlich nur daran liegen, dass sich die Myonneutrinos auf dem langen Weg durch die Erde in Tauneutrinos umwandeln, für die der Super-Kamiokande-Detektor praktisch blind ist. Aus der Abhängigkeit der Übergangswahrscheinlichkeit von der Neutrinorichtung können der Mischungswinkel und die Neutrinomassendifferenz bestimmt werden.

Der gleiche Oszillationseffekt von Myon- zu Tauneutrinos wurde auch an Teilchenbeschleunigern nachgewiesen. Durch Kollision von hochenergetischen Protonen mit einem Target erzeugte künstliche Neutrinostrahlen wurden in einer Entfernung von rund 700 km vom Produktionsort nachgewiesen. Diese Daten beweisen ebenfalls, dass Myonneutrinos oszillieren und führen auf Werte für Mischungswinkel und Neutrinomassen, die mit denen von atmosphärischen Neutrinos übereinstimmen.

Kernkraftwerke sind ebenfalls eine Quelle von Neutrinos, und zwar Elektronantineutrinos, deren Energie rund tausendmal geringer ist als die von atmosphärischen Neutrinos oder von Neutrinostrahlen aus Teilchenbeschleunigern. Das Kamland-Experiment in Japan beobachtet Neutrinos von umliegenden Kernkraftwerken, wobei die mittlere Entfernung rund 180 km beträgt, mit dem Ergebnis, dass sich die Elektronneutrinos auf dem Weg von den Kernkraftwerken zum Detektor etwa zu gleichen Teilen in Myon- und Tauneutrinos umwandeln. Dieses Experiment wies auch das charakteristische Oszillationsverhalten der Übergangswahrscheinlichkeit als Funktion der Neutrinoenergie nach, weshalb diese Messungen einen eindeutigen Beweis für Neutrinooszillationen darstellen.

Bei den Kernreaktionen im Inneren der Sonne entstehen neben der Energie in Form von Sonnenlicht auch Neutrinos, genauer gesagt Elektronneutrinos. Seit den Sechzigerjahren des letzten Jahrhunderts werden diese auf der Erde nachgewiesen [3]. Wenn die Neutrinos vom Produktionsort im Zentrum der Sonne zur Sonnenoberfläche fliegen, tritt ein weiterer Effekt auf: Ähnlich wie bei Licht, das durch Glas dringt, bewirkt die (sehr schwache) Wechselwirkung mit der Materie eine Art Brechung der Neutrinos. Dieser Materieeffekt führt dazu, dass sich Mischungswinkel und Neutrinomassen proportional zur Materiedichte ändern. Dies kann zu Resonanzeffekten führen. Tatsächlich ist für Neutrinos von der Sonne der Materieeffekt für die Umwandlung von Elektronneutrinos in andere Zustände verantwortlich.

Das SNO-Experiment in Kanada beobachtet Sonnenneutrinos mithilfe von zwei verschiedenen Reaktionen: Sogenannte „neutrale Ströme“ messen die gesamte Anzahl an Neutrinos von der Sonne, unabhängig vom Wechselwirkungszustand, während „geladene Ströme“ nur Elektronneutrinos messen. Die gemessene Neutrinogesamtrate stimmt mit der aus dem Sonnenmodell erwarteten überein. Allerdings beträgt die solare Elektronneutrinorate nur etwa ein Drittel der Gesamtrate, sodass zwei Drittel der Neutrinos etwa zu gleichen Teilen als Myon- oder Tauneutrinos auf der Erde ankommen. Das Borexino-Experiment in Italien, an dem das MPIK beteiligt ist (siehe Abb. 2a), misst die Energiespektren der solaren Neutrinos, die weiteren Aufschluss über die Energieabhängigkeit der Übergangswahrscheinlichkeit liefern. Die Ergebnisse sind konsistent mit dem oben erwähnten Materieeffekt in der Sonne. Außerdem erklären die Werte für Neutrinoparameter aus den Oszillationen von Reaktorneutrinos in Kamland ebenfalls die Umwandlung der solaren Neutrinos.

Oszillationen der drei Neutrinos werden durch drei verschiedene Mischungswinkel beschrieben. Die Beobachtungen führen zu dem Ergebnis [4], dass zwei der drei Mischungswinkel groß sind (rund 33 und 45 Grad). Vom dritten Mischungswinkel weiß man zurzeit nur, dass er kleiner als rund 10 Grad sein muss. Weltweit sind derzeit Oszillationsexperimente in Vorbereitung mit dem vorrangigen Ziel, diesen Mischungswinkel zu bestimmen. Mit dem Reaktorneutrinoexperiment Double Chooz in Frankreich (siehe Abb. 2b), ist das MPIK am führenden Experiment zur Suche nach diesem Mischungswinkel maßgeblich beteiligt.

Neutrinomassen

Neutrinos sind im Standardmodell der Teilchenphysik masselos. Ozillationen erfordern aber Massen und aus dem experimentellen Nachweis der Oszillationen folgt daher erstmals, dass das Standardmodell unvollständig ist. Daraus ergeben sich eine Reihe von theoretischen Implikationen, insbesondere kann man sich wertvolle Hinweise auf die Natur derjenigen Theorie erhoffen, welche dem Standardmodell zugrunde liegt (Große Vereinheitliche Theorie, oder englisch Grand Unified Theory, GUT). Insbesondere ist die Neutrinomasse in den allermeisten Theorien umgekehrt proportional zur Energieskala ihres Ursprungs. Typischerweise entspricht diese Skala einer Energie, welche bis zu 11 Größenordnungen über der Energie des LHC am CERN liegt. Neutrinophysik ist die einzige Möglichkeit, diese Skala experimentell zu testen.

Was ist nun die Skala der Neutrinomasse? Aus den oben erwähnten Experimenten zu Neutrinooszillationen ergibt sich, dass die Differenz der Neutrinomassen in einer Größenordnung liegt, welche dramatisch kleiner als alle anderen Massenskalen der Teilchenphysik ist. Absolute Neutrinomassen lassen sich durch Oszillationsexperimente nicht bestimmen, jedoch existieren Obergrenzen. Demnach müssen Neutrinos mindestens eine Million mal leichter sein als das Elektron (das bisher leichteste Elementarteilchen). Dies deutet darauf hin, dass Neutrinomassen durch einen speziellen Mechanismus erzeugt werden, der sie wesentlich leichter als alle anderen Fermionen des Standardmodells macht. Eine Untergrenze der Neutrinomasse von etwa 0,05 eV/c² (1 eV/c² entspricht etwa 1,8×10^–33 g) ist durch Oszillationsexperimente gegeben.

Eine Besonderheit der Neutrinos als elektrisch neutrale Teilchen ist nun, dass sie eine sogenannte „Majorana-Masse“ besitzen können. Diese quantenmechanische Besonderheit würde bedeuten, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Dies ist für elektrisch geladene Teilchen (also alle anderen Fermionen des Standardmodells) nicht möglich. Diese können nur eine „Dirac-Masse“ besitzen. Die Majorana-Masse ist durch die Symmetrien des Standardmodells nicht geschützt und kann daher beliebig groß sein. Falls Neutrinos nun zusätzlich eine Dirac-Masse besäßen, so würde der „See-Saw-Mechanismus“ wirken: Im experimentell zugänglichen Energiebereich spielen die schweren Majorana-Massen keine direkte Rolle, sondern zeigen ihre Präsenz lediglich in einer Unterdrückung der Neutrinomassen. Diese Unterdrückung ist umso stärker, je schwerer der Majorana-Massenterm ist. Der See-Saw-Mechanismus (See-Saw ist englisch für Wippe) ist in der Tat in der überwiegenden Mehrzahl der GUTs realisiert und liefert eine sehr überzeugende Begründung für die Kleinheit der Neutrinomassen. Eine weitere Voraussage dieses Mechanismus ist eine Verletzung der Leptonzahl. Im Standardmodell verbotene Prozesse, in denen z. B. im Anfangszustand keine Leptonen, im Endzustand jedoch 2 Leptonen auftauchen, sind nun möglich. Das Experiment GERDA, welches unter der Federführung des MPIK kurz vor der Datennahme steht, sucht nach einem solchen Prozess, dem neutrinolosen doppelten β-Zerfall (Abb. 3a).

Neben dem Nachweis der Leptonzahlverletzung wäre eine Beobachtung des neutrinolosen doppelten β-Zerfalls auch eine Möglichkeit, die Neutrinomasse zu messen. Die Lebensdauer des Germaniums sinkt quadratisch mit der Neutrinomasse. Jedoch kann andere neue Physik existieren, welche ebenso zu neutrinolosem Doppelbetazerfall führt, ohne jedoch direkt mit Neutrinomasse in Zusammenhang zu stehen.

Es lohnt sich daher, zwei weitere Zugänge zu Neutrinomassen zu diskutieren. Der direkteste besteht in der Analyse von einfachen β-Zerfällen, beispielsweise des Tritiums. Hierbei zerfällt ein Neutron des Tritiumkerns in ein Proton, ein Elektron und ein Elektronantineutrino. Falls letzteres eine von Null verschiedene Masse besitzt, so beeinflusst dies die Energieverteilung des Elektrons. Dieser Ansatz wird zurzeit im KATRIN-Experiment am Forschungszentrum Karlsruhe untersucht.

Einen weiteren Zugang zu Neutrinomassen liefert die Kosmologie. Das gegenwärtig akzeptierte Bild der Strukturbildung im Universum besagt, dass kleine Dichteinhomogenitäten im heißen Plasma des frühen Universums aufgrund der anziehenden Wirkung der Gravitation zu Galaxien und Galaxienhaufen gewachsen sind. Neutrinos mit Masse beeinflussen diese Strukturen auf Skalen, welche von ihrer Masse abhängen. Wenn die Masse zu groß wäre, so hätten sich zuerst Galaxienhaufen, dann Galaxien, Sterne etc. gebildet, was im Gegensatz zu vielen unabhängigen Beobachtungen steht. Dementsprechend kann aus Beobachtungen der Galaxienverteilung die Neutrinomasse bestimmt bzw. eingeschränkt werden. Eine eindeutige Interpretation der Messungen erfordert jedoch ein theoretisches Verständnis im Sub-Prozent-Bereich der Strukturbildungsprozesse auf verschiedensten Skalen.

Die drei genannten Methoden zur Bestimmung von Neutrinomassen sind komplementär, bestimmen eine jeweils andere Kombination von Parametern und liefern zurzeit übereinstimmende Limits im Bereich um 1 eV/c². Falls in Zukunft mit idealerweise mehreren Messungen ein Signal gefunden werden sollte, so ergäbe sich die Möglichkeit nach Inkonsistenzen in der Neutrinophysik und Kosmologie zu suchen.

Der Nachweis der Leptonzahlverletzung im neutrinolosen doppelten β-Zerfall und eines Unterschieds zwischen Oszillationen von Neutrinos und Antineutrinos würde die Hypothese des sogenannten Leptogenese-Mechanismus stärken. Dieser beruht auf der Existenz der schweren Majorana-Massen für Neutrinos. Im frühen Universum könnten die Neutrinos in Teilchen des Standardmodells zerfallen sein, und aufgrund der oben genannten Eigenschaften häufiger in Leptonen als in Antileptonen. Die so erzeugte kleine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie sorgte dafür, dass sich nicht alle Teilchen und Antiteilchen im frühen Universum gegenseitig ausgelöscht haben. Aus diesem kleinen überlebenden Anteil ist die gesamte beobachtbare Materie entstanden. Nach dieser Theorie wären Neutrinos in gewissem Sinn sogar für unsere Existenz verantwortlich.

Ausblick

Wie bereits erwähnt tragen Neutrinos dazu bei, Theorien jenseits des Standardmodells zu testen und neue Physik zu identifizieren. Das im Vergleich zum Quarksektor ungewöhnliche Mischungsverhalten motiviert dazu, zusätzliche (horizontale oder Flavor-) Symmetrien einzuführen, welche z. B. maximale Mischungswinkel von 45 Grad erklären können. Was genau für eine Symmetrie gewählt werden muss, und was ihr Ursprung ist, steht noch zur Beantwortung aus.

Neutrinooszillationen sind sogenannte „flavorverletzende“ Prozesse, und man erwartet ähnliche Phänomene auch für geladene Leptonen, etwa seltene Myonzerfälle in ein Elektron und ein Photon. Im Rahmen vieler Theorien jenseits des Standardmodells hängen die Raten dieser Prozesse sowohl von Neutrinoparametern als auch von Parametern neuer Elementarteilchen ab, die am LHC produziert und vermessen werden können. Diese Teilchen können auch Kandidaten für die Dunkle Materie sein. Diese hochinteressanten Zusammenhänge bilden einen spannenden Rahmen, der im Fokus vieler theoretischer Arbeiten liegt, an denen auch das MPIK maßgeblich beteiligt ist [6], besonders im Hinblick auf eine Vielzahl von im Aufbau befindlichen und kurz vor der Datennahme stehenden Experimenten.

Die Zukunft der Neutrinophysik kann in zwei große Gebiete eingeteilt werden: Präzisionsteilchenphysik und Quellenphysik.

Einerseits versprechen zukünftige Oszillationsexperimente eine Bestimmung der Neutrinoparameter und -eigenschaften mit einer Genauigkeit, die es erlaubt, die vielen vorgeschlagenen Flavormodelle zu unterscheiden. Hierzu gibt es ambitionierte Pläne für zukünftige Beschleunigerexperimente, die Neutrinostrahlen mit noch höherer Intensität als bisher über bis zu mehrere tausend Kilometer zu einem Detektor senden. Eines der Ziele solcher Projekte wird es sein, nach einem kleinen Unterschied in den Oszillationen von Neutrinos und Antineutrinos zu suchen. Ein ultimatives Projekt ist eine sogenannte „Neutrinofabrik“, in der in einem Beschleunigerring gespeicherte Myonen zerfallen und so einen besonders reinen Neutrinostrahl liefern. Die Perspektiven dieser oder ähnlicher Experimente lassen sich mittlerweile sogar mit öffentlich zugänglichen Softwareprogrammen berechnen [7].

Ebenso werden neue Ansätze zur Massenbestimmung diskutiert, etwa kalorimetrische Methoden, welche die durch β-Zerfall generierte winzige Wärmeänderung messen sollen. Im Rahmen der Kosmologie wird der Planck-Satellit der ESA die vorhandenen Datenmengen vervielfachen. Ziel der Neutrinokosmologie ist die Messung der im Urknall entstandenen Neutrinos, die in Analogie zum kosmischen Mikrowellenhintergrund der Photonen Informationen über den Aufbau und die Parameter des Universums liefern können.

Andererseits ermöglicht das verbesserte Verständnis der Neutrinoeigenschaften völlig neue Quellenphysik. Beispielsweise liefern Experimente mit solaren Neutrinos einzigartige Einblicke in das Sonneninnere. In der Tat gibt es zurzeit eine Inkonsistenz, was die Häufigkeit von Elementen schwerer als Helium in der Sonne angeht. Experimente wie Borexino können dieses Problem lösen. Ebenso werden große Neutrinodetektoren der nächsten Generation diskutiert, welche für eine Reihe von hochinteressanten Neutrinoquellen sensitiv sind: dies sind etwa Neutrinos aus Supernovaexplosionen (sowohl direkt beobachtete als auch die Summe aller vergangenen Supernovae), Geoneutrinos (aus den radioaktiven Zerfallsketten im Erdinneren), oder Neutrinos aus Annihilation oder Zerfällen von Teilchen der mysteriösen Dunklen Materie. Des Weiteren können Neutrinos mithelfen, die unbekannten Mechanismen und Quellen der kosmischen Strahlung zu entschlüsseln. Falls hadronische Prozesse für deren Produktion verantwortlich sind, so sollten auch Neutrinos in der kosmischen Strahlung vorhanden sein. Vom IceCube-Detektor am Südpol (siehe Abb. 3b) erwartet man dafür einen Nachweis. Interessanterweise haben Experimente an Kernreaktoren überraschendes Anwendungspotenzial: Das Energiespektrum der Neutrinos hängt von den im Reaktor sich spaltenden Elementen ab, sodass eine genaue Bestimmung es prinzipiell ermöglicht zu überprüfen, ob der Reaktor ausschließlich zur Energiegewinnung genutzt oder ob Plutonium abgezweigt wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die nächsten zwei Dekaden eine Vielzahl von wichtigen neuen Erkenntnissen erwarten lassen, und unser Verständnis des Universums auf vielerlei Weise bereichern werden. Neutrinos mit ihren zahlreichen Querverbindungen zu verschiedenen Gebieten der Physik, Kosmologie und Astronomie nehmen eine zentrale Rolle in der Beantwortung vieler ungelöster Fragen ein.