Neutrinooszillationen gesichtet
In zwei Monaten Betrieb des T2K-Experimentes wurden weitere Erkenntnisse über die das Drei-Flavor-Neutrinomodell gefunden.
Ob Neutrinos eine Masse besitzen, hat nicht nur einen weitreichenden Einfluss auf das Standardmodell und könnte bei der Erklärung des Ungleichgewichtes zwischen Materie und Antimaterie im Universum helfen, sondern beeinflusst auch grundlegend das Verhalten der Neutrinos selbst. Denn die sogenannten Neutrinooszillationen, also die periodische Umwandlung zwischen Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos, ist ein Effekt, der auf einer nicht verschwindenden Ruhemasse des Neutrinos beruht. Eben dieser Effekt bietet auch gleichzeitig die Möglichkeit die Frage nach der Masse zu klären.
Abb.: Erzeugt ein Elektron-Neutrino im Wasser ein Elektron, so hinterlässt dessen Cherenkov-Strahlung solch eine Spur. Die Farbe eines jeden Pixels entspricht der erzeugten Ladung in einem der 11.200 Photodetektoren in den Wänden des zylinderförmigen Tanks. (Bild: J-PARC)
Zu diesem Zweck richten Forscher aus Japan und elf weiteren Ländern im Rahmen des „T2K“-Experimentes (Tokai to Kamioka) einen künstlichen Neutrinostrahl aus dem japanischen Protonenbeschleuniger J-PARC in Tokai auf den 295 km entfernten Neutrinodetektor „Super-Kamiokande“ in Kamioka. Der Detektor besteht aus 50.000 Tonnen Wasser, welches in einer ehemaligen Zink-Mine, einen Kilometer unter der Erdoberfläche, auf Neutrinos wartet. Diese können charakteristische Lichtblitze im Wasser erzeugen, die durch insgesamt 11.200 Detektoren in den Wänden des Tanks beobachtet werden. Auch verschiedene Arten der Neutrinos lassen sich damit unterscheiden.
Da die Myon-Neutrinos aus dem Beschleuniger ausreichend Zeit hätten, damit sich ein Bruchteil von Ihnen in einen anderen Neutrinotyp verwandelt, bestand die Hoffnung diesen Oszillationsprozess nachzuweisen. Nachdem das Experiment im Januar 2011 gestartet wurde und bevor es im März durch das Erdbeben in Japan unterbrach, konnten schon erste Ergebnisse gesammelt werden. In dieser Zeit wurden 88 Neutrinos nachgewiesen, wovon sechs klar als Elektron-Neutrinos identifiziert wurden. Mit dieser noch recht geringen Anzahl an Ereignissen lässt sich die Existenz eines nicht verschwindenden Mischungswinkels θ13 in einem Drei-Flavour-Neutrinomodell mit einer Signifikanz von 2,5σ bestätigen.
Damit gelang eine erste Beobachtung der Umwandlung von Myon- in Elektron-Neutrinos . Weitere Tests sollen folgen, wenn die Schäden an den Geräten zum Ende des Jahres behoben wurden.
Konrad Kieling
