Nicht masselos: „Rechtshändige“ Neutrinos sprengen Modelle der Physik

Die kleinsten Teilchen der Physik sind alles andere als „leicht“, weder zu verstehen noch zu finden. Erstmals untersuchten Physiker, unter anderem von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN, Genf, Schweiz), der Monash University (Melbourne, Australien) und der Technischen Universität München alle Experimente, die sich – direkt oder indirekt – mit dem Nachweis von Neutrinos beschäftigten.

Ihre Erkenntnisse sprengen jegliche Standardmodelle der Physik und zeigen Teilchen, die bisher nur theoretisch existieren. Ein direkter Nachweis von Antineutrinos könnte binnen der nächsten Jahre gelingen – oder noch 100 Jahre auf sich warten lassen.

Subatomare Teilchen in sechs Geschmacksrichtungen

Das erste subatomare Teilchen, das Elektron, wies der britische Physiker und Nobelpreisträger Joseph John Thomson bereits vor mehr als 120 Jahren nach. Seitdem haben Physiker eine ganze Fülle von ihnen entdeckt. Der Reichtum der Bausteine der Natur erklärt sich aus der Annahme, dass die Welt aus massereichen Quarks besteht, die in sechs „Geschmacksrichtungen“ vorkommen, sowie aus deutlich leichteren Leptonen, ebenfalls in sechs Typen. Zu den Leptonen gehören das Elektron, das Myon, das Tau und die entsprechenden drei Arten von Neutrinos. Das Myon wiegt etwa 207-mal so viel wie ein Elektron, das Tau das 3.477-fache.

Neutrinos interagieren extrem schlecht mit dem Rest der Materie und gelten als masselos. Jüngste Forschungen belegen jedoch, dass diese Teilchen oszillieren, das heißt, sie wandeln sich ständig von einem Typ in einen anderen um. Dieses Phänomen bedeutet, dass die beobachteten Neutrinos eine gewisse – wenn auch sehr geringe – Masse haben müssen.

Unterdessen lässt das physikalische Standardmodell keine Alternative: In seinem Rahmen können Neutrinos keine Masse haben und sie sollten, sobald sie einmal entstanden sind, stabil und unveränderlich in ihren Eigenschaften sein.

Dieser Widerspruch zwischen Theorie und Erfahrung ist einer der stärksten Hinweise für die Existenz unbekannter subatomarer Teilchen. Die Masse der Neutrinos ist jedoch nicht ihre einzige rätselhafte Eigenschaft.

Links- und rechtshändige Neutrinos

Alle (bekannten) Neutrinos weisen eine Eigenschaft auf, die von Physikern als Linkshändigkeit bezeichnet wird. In allen Experimenten, die auf das Vorhandensein von Neutrinos hinweisen, hatten diese Teilchen immer den gleichen Spin, drehen sich also entlang ihrer Bewegungsrichtung gegen den Uhrzeigersinn. Mit anderen Worten: „Sie waren Linkshänder“, sagte Dr. Marcin Chrzaszcz von der Polnischen Akademie der Wissenschaften.

Der Astrophysiker Dr. Ethan Siegel erklärte dazu im „Forbes“-Magazin: „Wenn Sie Ihren linken Daumen in die Richtung zeigen, in die es sich bewegt, ist sein Spin (oder Drehimpuls) immer in die Richtung ausgerichtet, in die sich die Finger Ihrer linken Hand um Ihren Daumen krümmen. In ähnlicher Weise sind Antineutrinos immer Rechtshänder: Zeigt man den rechten Daumen in die Richtung, in die es sich bewegt, so ist sein Spin immer in die Richtung ausgerichtet, in der sich die Finger der rechten Hand um den Daumen winden.“

Im Gegensatz dazu können andere Teilchen der Materie sowohl positiven als auch negativen Spin haben. Rechtshändige Neutrinos hingegen, die natürlichste Erweiterung des Standardmodells, sind nirgendwo zu sehen. Dr. Chrzaszcz fragt daher: „Wenn es sie nicht gibt, warum nicht? Und wenn sie existieren, wo verstecken sie sich?“

„Ein Teilchen, das nicht nachgewiesen werden kann“ – Wolfgang Pauli, Nobelpreisträger für Physik

„Es gibt zwei Größen, die in der Teilchenphysik immer konstant sind“, sagte Dr. Siegel. „Energie, da die Gesamtenergie der Reaktanten immer gleich der Gesamtenergie der Produkte ist, und Impuls, da der Gesamtimpuls aller Anfangsteilchen immer gleich dem Gesamtimpuls der Endteilchen ist.“ Bei der Beobachtung von Neutrinos – die ersten Experimente konnten lediglich ein Drittel aller vorhergesagten Teilchen sehen – stimmte beides nicht.

Physiker wie Niels Bohr überlegten daher, ob die beiden fundamentalen Annahmen richtig sind. Der österreichische Physiker Wolfgang Pauli hatte einen anderen – wohl noch radikaleren – Gedanken: Eine neue Art von Teilchen, die wir einfach noch nicht sehen konnten. Er nannte es „Neutrino“, italienisch für „kleines Neutrales“, und bemerkte (s)einen gewaltigen Fehler:

Ich habe eine schreckliche Sache getan, ich habe ein Teilchen postuliert, das nicht nachgewiesen werden kann.“

Ungefähr zur gleichen Zeit postulierte der italienische Physiker Ettore Majorana die Existenz eines Materieteilchens, das sein eigenes Antiteilchen ist. Ein solches könne keine elektrische Ladung haben. Da alle Teilchen, mit Ausnahme der Neutrinos, elektrische Ladung tragen, könnte das Teilchen ein Neutrino sein. 1956 bestätigte sich schließlich Paulis Theorie mit dem Nachweis des ersten Neutrinos aus einem Kernreaktor. Sowohl der Nachweis von Majorana-Teilchen als auch Antineutrinos steht bis heute aus.

Neutrinos sind nicht masselos!

„Die Theorie besagt, dass, wenn Majorano-Neutrinos existieren, es auch eine Umwandlung geben kann“, erklärt Dr. Chrzaszcz. „Das würde bedeuten, dass wenn Neutrinos […] nicht sehr massereich sind, dann müssen Neutrinos mit der entgegengesetzten [Drehrichtung] sehr große Massen haben.“

Dr. Ethan Siegel ergänzte: „Neutrinos haben zwar eine Masse ungleich Null, aber die Massen sind extrem winzig. Man bräuchte mehr als 4 Millionen des schwersten Neutrinos, um das nächst leichteste Teilchen des Standardmodells zu erhalten: das Elektron.“

„Wenn also unsere Neutrinos, die linkshändig sind, sehr geringe Massen haben, dann müssten sie, wenn es sich um Majoraná-Neutrinos handeln würde, in der rechtshändigen Version massereich sein. Das würde erklären, warum wir sie noch nicht gesehen haben“, sagte Dr. Chrzaszcz.

Rechtshändige Neutrinos sind einer der Kandidaten für dunkle Materie. Aktuelle Schätzungen gehen davon aus, „dass ein kleiner, aber nicht null Prozentanteil der dunklen Materie aus Neutrinos bestehen muss: etwa 0,5 bis 1,5 Prozent. Das ist in etwa die gleiche Menge an Masse wie alle Sterne im Universum zusammen“, so Dr. Siegel.

Wenn Neutrinos Masse haben, ändern sich einige Eigenschaften grundlegend. Nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie und der Formel E = mc² haben nicht masselose Teilchen Energie. Das heißt auch, dass Neutrinos, von denen 60 Milliarden Teilchen pro Quadratzentimeter pro Sekunde auf die Erde treffen, zur Energieerzeugung genutzt werden können.

Aktueller Stand der Forschung: „Eine Spur eines potenziellen Anti-Neutrino-Signals …“

Obwohl die Forschungen von Dr. Chrzaszcz und seinen Kollegen „eine Spur eines potenziellen Signals [zeigen], das mit rechtshändigen Neutrinos in Verbindung gebracht werden könnte“, ist die Existenz der Antineutrinos bislang unbestätigt. Ebenfalls ungeklärt ist, woher Neutrinos, egal ob Links- oder Rechtshänder, ihre Masse haben. Dr. Siegel schrieb dazu:

Wir wissen nicht, ob sie ihre Masse durch eine sehr schwache Kopplung an das Higgs erhalten oder ob sie sie durch einen anderen Mechanismus erreichen. Und wir wissen wirklich nicht, ob der Neutrino-Sektor nicht sogar noch komplexer ist.

Dr. Chrzaszcz hofft rechtshändige Neutrinos in Experimenten zu finden, die gerade erst beginnen. Im besten Fall könnte das bereits mit dem Nachfolger des LHC, dem Future Circular Collider, am CERN gelingen – Baubeginn frühestens 2021. Bis zur Inbetriebnahme dauert es weitere 20 Jahre. In jedem Fall, so Dr. Chrzaszcz, „werden wir uns mit viel Geduld bewaffnen müssen, bevor wir rechtshändige Neutrinos sehen“.