Doppelbetazerfall weiterhin nur mit Neutrinos

Der neutrino­lose Doppel­beta­zerfall gilt als einer der heißesten Kandidaten für Physik jenseits des Standard­modells. Trotz jahrzehnte­langer Bemühungen ist es bisher nicht gelungen, diesen extrem seltenen Prozess nachzuweisen. Auch das Kam­LAND-Zen-Experiment sucht nach dem neutrino­losen Doppel­beta­zerfall. Dank zahlreicher Opti­mierungen gelang es den Forschern der KamLAND-Zen-Kolla­boration nun, die bisherigen Grenzwerte für den neutrino­losen Doppel­beta­zerfall um einen Faktor sechs zu verbessern. Auch wenn damit der Nachweis weiterhin ausbleibt, so lassen sich damit doch bereits einige indirekte Aussagen machen.

KamLAND ist eigentlich ein Neutrino-Oszil­lations-Experiment im japa­nischen Kamioka-Untergrund-Obser­vatorium, eignet sich aber aufgrund seiner hervor­ragenden Abschir­mung gegenüber äußerer Strahlung auch für die Unter­suchung des neutrino­losen Doppel­beta­zerfalls. Beim KamLAND-Zen-Expe­riment befindet sich in einem 13 Meter durchmessenden äußeren Ballon ein rund drei Meter durch­messender innerer Ballon mit einer xenon­haltigen Szin­tillator­flüssigkeit. Knapp 2000 Photo­multiplier unter­suchen mögliche Zerfälle. Das enthaltene Xenon-136 besitzt bereits eine Halbwerts­zeit von über 10²¹ Jahren für den normalen Doppel­beta­zerfall. Obwohl sich das Labor tief unter der Erde in einer still­gelegten Mine befindet, lassen sich hoch­energe­tische Myonen aus der kosmischen Strahlung nicht voll­ständig abschirmen. Sie bilden neben radio­aktiven Isotopen die wichtigste Störquelle.

Der Doppel­betazerfall – auch mit Neutrinos – ist ein Prozess zweiter Ordnung, der auftritt, wenn ein einfacher Beta­zerfall energetisch verboten ist. Dement­sprechend hoch liegen die typischen Halbwerts­zeiten von Doppelbeta­zerfällen. Man erwartet von rund 35 natürlich vor­kommenden Isotopen, dass bei ihnen ein solcher Zerfall auftritt. Sollten Neutrinos Majo­rana-Teilchen sein – was im Standard­modell nicht vorgesehen ist –, so wären sie zugleich ihre eigenen Anti­teilchen. Diese Idee hat der legenden­umwobene Theoretiker Ettore Majorana bereits in den 1930er Jahren vorgestellt. Mit dieser Hypo­these ließe sich einerseits der Über­schuss an Materie gegenüber Anti­materie im Universum erklären. Und anderer­seits ermöglicht dies den neutrino­losen Doppelbeta­zerfall.

Beim Beta­zerfall wandelt sich üblicher­weise ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Anti-Elektron-Neutrino um. Beim neutrino­losen Doppelbeta­zerfall kann nun aber ein Anti-Elektron-Neutrino auch als Elektron-Neutrino von einem Neutron absorbiert werden, so dass lediglich zwei Elektronen den Kern verlassen und die Leptonenzahl um die Anzahl zwei verletzt wird – obwohl sie im Standard­modell eigentlich eine Erhaltungsg­röße ist. Die Signatur des neutrinolosen Doppelbetazerfall sollte sich klar gegenüber dem normalen Doppelbeta­zerfall abheben. Denn letzterer zeigt ein kontinuier­liches Energie­spektrum, da die Neutrinos einen Teil der Energie unentdeckt nach außen tragen. Im neutrino­losen Fall lässt sich hingegen die Gesamt­energie der Zerfallsprodukte diskret nachweisen.

Bisherige Versuche hatten eine Mindest-Halbwerts­zeit für den neutrino­losen Doppelbeta­zerfall von über 10²⁵ Jahren ergeben. Die inter­nationale KamLAND-Zen-Kolla­boration konnte diesen Wert nun auf über 10²⁶ Jahre hoch­schrauben. Dies gelang ihr dank der inten­siven Reinigung der Szintillator­flüssigkeit, aus der die Wissen­schaftler möglichst alle störenden radio­aktiven Konta­minationen entfernten. Die Wissen­schaftler werteten Daten aus mehreren Jahren Messzeit aus und konnten so auch die Massen möglicher Majorana-Neu­trinos besser eingrenzen. Sie sollten höchstens um die 100 Milli­elektronen­volt liegen.

Die Messungen sind bereits sehr empfindlich, wie sich auch an einer interes­santen Kuriosität am Rande ablesen lässt. Denn radioaktive Verun­reinigungen der benutzten Mate­rialien gehören zu den Haupt­quellen von Stör­signalen. Zu den wichtigsten dieser Quellen gehören Bismuth-214 und Cäsium-134. Das Bismuth stammt aus der natürlichen Zerfalls­kette von Uran-238, das überall im Gestein zu finden ist. Es verteilt sich als Staub und erzeugt einen kon­stanten Untergrund. Das Cäsium-134 spielt ebenfalls ein Rolle. Die Forscher konnten anhand eines Vergleichs der Aktivität von Cäsium-134 zu Cäsium-137 sogar ermitteln, dass die Hülle des inneren Ballons durch Fallout der Reaktor­katastrophe von Fukushima im Jahr 2011 kontaminiert worden war – auch wenn sich diese Belastung nur durch Präzisions­messungen nachweisen ließ.

In Zukunft wollen die Forscher die Empfindlich­keit ihres Experiments weiter erhöhen. Dazu gehören nicht nur größere Mengen an Xenon im inneren Ballon, sondern auch weitere Reinigungs- und Filter­maßnahmen, um störende Radio­isotope zu entfernen. Mit Hilfe besserer Datenanalyse wollen die Forscher auch den Unter­grund an kosmischen Myonen weiter drücken, so dass sich mögliche Majo­rana-Massen bis unterhalb von fünfzig Milli­elektronen­volt eingrenzen lassen sollten.

Dirk Eidemüller

JOL