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Der 4. Juli 2012 markiert einen unvergesslichen Tag in der Teilchenphysik. An diesem Datum gaben die Experimente ATLAS und CMS am CERN die Entdeckung des Higgs-Bosons bekannt. Der diesjährige 10.…

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Ganz nah dran an den „Geisterteilchen“

Um die Vermutung zu belegen, dass Materie ohne Antimaterie erzeugt werden kann, sucht das GERDA-Experiment im Gran Sasso Untergrundlabor nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall. Es hat die weltweit höchste Empfindlichkeit für den Nachweis des gesuchten Zerfalls. Um die Chance einer Entdeckung weiter zu erhöhen, arbeitet das Folgeprojekt LEGEND an einem noch weiter verfeinerten Zerfallsexperiment.

Arbeiten an der Germanium-D etektoranordnung im Reinraum des unterirdischen Labors von Gran Sasso.

Arbeiten an der Germanium-Detektoranordnung im Reinraum des unterirdischen Labors von Gran Sasso. Bild: J. Suvorov / GERDA

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist seit seinen Anfängen nahezu unverändert gültig. Widersprüche zwischen Theorie und Experiment haben sich bislang nur bei Neutrinos gezeigt.

Die Neutrino-Oszillation war dabei die erste Beobachtung, die nicht mit den Vorhersagen übereinstimmte. Sie beweist, dass Neutrinos im Widerspruch zum Standardmodell eine Masse ungleich Null haben. 2015 wurde diese Entdeckung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen?
Hinzu kommt die Vermutung, dass Neutrinos so genannte Majorana-Teilchen sind: Anders als alle anderen Bausteine der Materie könnten sie ihre eigenen Antiteilchen sein. Dies würde auch eine Erklärung dafür liefern, warum es im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie gibt.

Zur Überprüfung der Majorana-Vermutung sucht die GERDA-Kollaboration nach dem bisher nicht beobachteten neutrinolosen doppelten Betazerfall im Germanium-Isotop 76Ge: Dabei wandeln sich zwei Neutronen in einem 76Ge-Kern gleichzeitig in zwei Protonen um, wobei zwei Elektronen emittiert werden. Dieser Zerfall ist im Standardmodell verboten, da die beiden Antineutrinos – die ausgleichende Antimaterie – fehlen.

Der Exzellenzcluster Origins und sein Vorgängercluster Universe befassen sich seit vielen Jahren am Projekt GERDA (GERmanium Detector Array). Sprecher des neuen Projekts LEGEND ist Prof. Stefan Schönert, der die TUM-Forschungsgruppe leitet.

Das GERDA Experiment verfügt über die höchste Empfindlichkeit
GERDA ist das erste Experiment auf dem Gebiet, das den störenden Untergrund soweit reduzieren konnte, dass der gesuchte neutrinolose doppelte Betazerfall, sofern er existiert, eine Halbwertszeit von mindestens 1026 Jahren haben muss, das ist das 10 000 000 000 000 000-fache des Alters des Universums.

Die Physiker wissen, dass Neutrinos mindestens hunderttausendmal mal leichter sind als Elektronen, die nächstschwereren Teilchen. Welche Masse sie genau haben, ist allerdings noch unbekannt und ein weiteres wichtiges Forschungsthema.

Interessanterweise korrespondiert die Halbwertszeit des neutrinolosen doppelten Betazerfalls mit einer speziellen Variante der Neutrino-Masse, der Majorana-Masse. Kombiniert man das neue GERDA-Ergebnis mit denjenigen anderer Doppel-Beta-Zerfallsexperimente, so muss diese Masse sogar mindestens eine Million mal kleiner sein als die des Elektrons. Physikalisch ausgedrückt läge die Masse bei unter 0,07 bis 0,16 eV/c2 (1).

Keine Widersprüche mit anderen Experimenten
Auch andere Experimente grenzen die Neutrino-Massen ein: Die jüngste Analyse der Planck-Mission kommt für die Summe der Massen der drei Neutrino-Arten auf unter 0,12 – 0,66 eV/c2.

Das Tritium-Zerfallsexperiment KATRIN am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird in den kommenden Jahren die Masse des Elektron-Neutrinos mit einer Empfindlichkeit von ca. 0,2 eV/c2 bestimmen. Die Werte können zwar nicht direkt verglichen werden, sie erlauben es aber, die unterschiedlichen Modelle zu überprüfen. Bislang gibt es keine Widersprüche.

Von GERDA zu LEGEND
Die nun vorgestellten Beobachtungen wurden mit einer Detektormasse von 35,6 kg 76Ge gemacht. Eine neue internationale Zusammenarbeit unter dem Namen LEGEND wird nun die Detektormasse bis 2021 auf 200 kg 76Ge erhöhen und die Störungen so weit reduzieren, dass nach fünf Jahren eine Empfindlichkeit von 1027 Jahren erreicht ist.

 

Publikation:
The GERDA collaboration: Probing Majorana neutrinos with double beta decay
Science, published online on Thursday 5 September, 2019
DOI: 10.1126/science/ aav8613

 

Mehr Informationen
GERDA ist eine internationale europäische Kooperation von mehr als 100 Physikern aus Belgien, Deutschland, Italien, Russland, Polen und der Schweiz. In Deutschland sind die Technischen Universitäten München und Dresden, die Universität Tübingen und die Max-Planck Institute für Physik und für Kernphysik beteiligt. Die finanzielle Unterstützung in Deutschland kommt vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Exzellenzcluster Universe und den SFB1258 sowie von der Max-Planck-Gesellschaft.

Prof. Stefan Schönert erhielt für vorbereitende Arbeiten zum Projekt LEGEND im Jahr 2018 einen ERC Advanced Grant. Für ihre Arbeiten am KATRIN-Experiment erhielt vor wenigen Tagen auch Frau Prof. Susanne Mertens einen ERC-Grant. Sie wird im Rahmen des Experiments nach sogenannten sterilen Neutrinos suchen. Sowohl Prof. Schönert als auch Prof. Mertens gehören zu den leitenden Wissenschaftlern („Principal Investigators“) des Exzellenzclusters Origins.

[1] Massen werden in der Teilchenphysik statt in Kilogramm entsprechend der Einsteinschen Gleichung E=m*c2 in Elektronenvolt [eV] (als Einheit für die Energie)/Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat angegeben, da der Zahlenwert sonst unvorstellbar klein würde: 1 eV/c2 entspricht 1,8 x 10-37 Kilogramm.

 

Kontakt
Technische Universität München
Prof. Dr. Stefan Schönert
Tel.: +49 89 289 12511
E-Mail: schoenert(at)ph.tum.de

Max-Planck-Institut für Physik, München
Prof. Dr. Allen Caldwell
Tel.: +49 89 323 54207
E-Mail: caldwell(at)mpp.mpg.de