Neutrinoloser Doppelbetazerfall bleibt unentdeckt

In den 1930er-Jahren schlug der italienische Physiker Ettore Majorana vor, dass Neutrinos möglicherweise ihre eigenen Antiteilchen sind. Wäre dem tatsächlich so, könnte in Atomkernen – wenn auch extrem selten – eine exotische Variante des doppelten Betazerfalls auftreten. Im Experiment GERDA unter dem Gran-Sasso-Massiv in Italien haben Wissenschaftler in den vergangenen Monaten den radioaktiven Zerfall von Germanium nach entsprechenden Signaturen untersucht, konnten den sogenannten neutrinolosen Doppelbetazerfall aber nicht ausfindig machen. Ihr Resultat widerlegt frühere Messungen, in denen man den Zerfall angeblich erstmals nachgewiesen hatte.

Beim gewöhnlichen Betazerfall zerfällt in einem Atomkern ein Neutron in ein Proton und setzt dabei ein Elektron und ein Antineutrino frei. Beim doppelten Betazerfall wandeln sich gleichzeitig zwei Neutronen in zwei Protonen um, wobei neben den beiden Elektronen auch zwei Antineutrinos entstehen. Wenn das Neutrino nun seinem Antiteilchen entspräche, könnten sich die beiden Teilchen im Innern des Kerns gewissermaßen gegenseitig aufheben und man würde nur zwei Elektronen nachweisen. Diese müssten dann über die gesamte Energie verfügen, die bei der Reaktion freigesetzt wird. Genau nach solchen Teilchen fahnden Forscher seit November 2011 am Experiment GERDA (GERmanium Detector Array), indem sie den Zerfall des Isotops Germanium-76 beobachten.

Doppelter Betazerfall

Um die Messungen vor störenden Einflüssen, wie kosmischen Teilchen zu schützen, findet das Experiment 1400 Meter unter der Erde statt. Zudem hängen die angereicherten Germaniumkristalle in eine Art Thermoskanne, die mit einem Kühlmittel aus flüssigem Argon gefüllt und von einem riesigen Tank mit hochreinem Wasser umgeben ist. So wollen die Wissenschaftler auch die natürliche Radioaktivität der Umgebung abschirmen. Zunächst nahm das GERDA-Team mit acht jeweils zwei Kilogramm schweren Detektoren auf, später kamen fünf weitere Detektoren hinzu. Der Signalbereich blieb während der Datenanalyse stets ausgeblendet, um das Ergebnis nicht zu beeinflussen.

Erst jetzt schauten die Forscher nach dem gesuchten Muster. Doch das Signal des neutrinolosen Doppelbetazerfalls von Germanium-76 war in den Messdaten nicht auszumachen. Dieses Resultat führt zu der bisher genauesten Untergrenze für die Lebensdauer eines Atomkerns, der auf diese Weise zerfällt, von 2,1 × 10²⁵ Jahren. Bereits seit den 1960er-Jahren versuchen Physiker den neutrinolosen doppelten Betazerfall in Germanium nachzuweisen. Am bekanntesten ist wohl das Heidelberg-Moskau-Experiment, in dem man Detektoren mit rund zehn Kilogramm Germanium über mehrere Jahre betrieb. Einige der beteiligten Forscher um Hans Klapdor-Kleingrothaus vom Max-Planck-Institut für Kernphysik behaupten, in den Daten elf Ereignisse nachgewiesen zu haben. Die meisten Physiker vermuten allerdings, das Team habe die Daten einfach falsch interpretiert und tatsächlich eine statistische Schwankung im Untergrund gemessen. Mit den neuen Ergebnissen des GERDA-Experiments gibt es nun endlich Gewissheit. Zusammen mit den Ergebnissen anderer Experimente zum neutrinolosen Doppelbetazerfall widerlegt das neue Resultat die frühere Behauptung, ein Signal gefunden zu haben.

Germaniumdetektoren von GERDA

Ausgeschlossen ist der neutrinolose Doppelbetazerfall deshalb aber noch nicht. Vielleicht tritt der Zerfall einfach nur seltener auf, als man bisher annahm. In diesem Fall bräuchte man noch größere Detektoren, um ihn nachzuweisen. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher bei GERDA deshalb zusätzlich zu den bestehenden noch neue Detektoren einsetzen und damit die Menge an Germanium-76 verdoppeln. „Eine Beobachtung des neutrinolosen doppelten Betazerfalls mit der bisher erreichten Sensitivität würde tendenziell mit kosmologischen Beobachtungen in Konflikt stehen. Insofern ist die Welt in Ordnung und wir werden in den kommenden Jahren Sensitivitätsbereiche erreichen, bei denen man eine Beobachtung eher erwarten kann“, so Peter Grabmayr von der Universität Tübingen, der am GERDA-Experiment beteiligt ist. Sobald die Forscher die Störeinflüsse noch einmal zehnfach stärker unterdrückt haben, soll eine zweite Messphase folgen.

Neutrinos zählen zu den häufigsten Teilchen im Universum. Dennoch lassen sie sich nur sehr schwer nachweisen, da sie kaum mit anderen Materieteilchen in Wechselwirkung treten. Ließe sich der neutrinolose Doppelbetazerfall nachweisen, wäre das nicht mit dem Standardmodell der Teilchenphysik zu erklären. Denn demzufolge handelt es sich bei Teilchen und Antiteilchen um zwei völlig unterschiedliche Dinge. „Wir wissen, dass Neutrinos nicht masselos sind und daher das Standardmodell zumindest diesbezüglich erweitert werden muss“, erklärt Grabmayr. In welcher Form sei derzeit aber noch unklar.

Mithilfe der neuen Ergebnisse können die Forscher die Neutrinomassen sogar ein bisschen weiter eingrenzen, denn diese beeinflussen die Halbwertszeit des Zerfalls. Die Massen zu kennen, wäre für viele Bereiche der Physik von großer Bedeutung – etwa für kosmologische Modelle, in denen der Beitrag der Neutrinos zur gesamten Masse im Universum eine wichtige Rolle spielt.