Umwandlung von Myon-Neutrino in Elektron-Neutrino nachgewiesen

Im Juni 2010 konnten Forscher erstmals direkt beobachten, wie sich Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos umwandeln. Am Experiment Tokai to Kamioka (T2K) in Japan ließ sich nun auch zweifelsfrei die Umwandlung von Myon- in Elektron-Neutrinos nachweisen. Erste Hinweise auf diese sogenannte Neutrinooszillation gab es bereits im Jahr 2011, mittlerweile konnten die Wissenschaftler die 3,5-fache Menge an Daten sammeln und ihre früheren Ergebnisse bestätigen.

Für das T2K-Experiment werden Myon-Neutrinos in dem Ort Tokai an der Ostküste Japans erzeugt und unterirdisch über 295 Kilometer bis nach Kamioka nahe der Westküste geschickt. Dort registriert Super-Kamiokande, einer der Detektoren des Experiments, die ankommenden Teilchen. Die Forscher beobachteten 28 Ereignisse, bei denen ein ausgesandtes Myon-Neutrino als Elektron-Neutrino ankam. Durch statistische Schwankungen lassen sich diese Beobachtungen nicht erklären, denn in diesem Fall hätten sich nur 4,6 Ereignisse zeigen sollen. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei den Ereignissen nicht um Neutrinooszillationen handelt, liegt daher bei eins zu einer Billiarde. Damit beträgt die wissenschaftliche Signifikanz 7,5 Sigma, für einen zweifelsfreien Nachweis sind bereits fünf Sigma ausreichend.

Super-Kamiokande-Neutrinodetektor

Super-Kamiokande besteht aus einem mit sehr reinem Wasser gefüllten Zylinder, der einen Kilometer tief unter der Erde liegt. Passieren die Neutrinos das Wasser, lösen sie in seltenen Fällen eine Reihe von Wechselwirkungen aus, wodurch letztlich ein Lichtblitz erzeugt werden kann. Über 10.000 Photomultiplier an den Innenwänden des Detektors bilden den Kegel des erzeugten Lichts als Ring ab. Der von Myon-Neutrinos erzeugte Ring ist dabei schärfer ausgebildet als der von Elektron-Neutrinos, dadurch lassen sich die beiden Neutrinotypen unterscheiden.

Das T2K-Experiment wird von einer internationalen Kollaboration von über 59 Instituten aus elf Ländern betrieben, darunter auch Deutschland. Die Forschergruppe geht davon aus, dass der Nachweis der neuen Art von Neutrinooszillation zu weiteren Studien über die Verletzung des sogenannten CP-Theorems führen wird. Dieses fundamentale Gesetz der Physik besagt, dass jeder physikalische Prozess, bei dem Materie und Antimaterie ausgetauscht werden und der gleichzeitig spiegelbildlich abläuft, ebenfalls möglich ist. Die CP-Verletzung bei Neutrinos im frühen Universum könnte dazu geführt haben, dass Forscher heute im All fast ausschließlich Materie entdecken, obwohl es direkt nach dem Urknall die gleiche Menge Antimaterie gegeben haben muss.