Neutrinos: Und sie oszillieren doch nicht

Können sich Neutrinos von einer Form in eine andere umwandeln oder nicht? Diese seit Jahren strittige Frage hat jetzt die mit Spannung erwartete Auswertung des entscheidenden Detektorexperiments geklärt. Ergebnis: Die Neutrinos oszillieren doch nicht.

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Neutrinos spielen eine besondere Rolle in der Astroteilchenphysik: Ihre Masse ist viel kleiner als die aller anderen Elementarteilchen und ihre Wechselwirkung mit normaler Materie ist extrem gering, da sie nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen. Aus diesen Eigenschaften resultiert die Tatsache, dass sich die drei verschiedenen Neutrinosorten – elektronische, myonische und tauonische Neutrinos – ineinander umwandeln können. Der Nachweis dieser Umwandlungsprozesse ist extrem schwierig, daher konnten erst 1998 derartige Neutrino-Oszillationen durch Experimente mit atmosphärischen Neutrinos zweifelsfrei nachgewiesen werden, ebenso wie 2001 mit solaren Neutrinos.

Experimente mit widersprüchlichen Ergebnissen

Kurz vor diesen wissenschaftlichen Durchbrüchen veröffentlichten die Wissenschaftler des LSND-Experiments (Liquid Scintillator Neutrino Detector) in Los Alamos im Jahre 1995 einen Aufsehen erregende Beleg für Oszillationen zwischen myonischen und elektronischen Antineutrinos, dersogar Eingang fand in die Titelseite der New York Times. Das einzige Experiment, das dieses Resultat überprüfen konnte, war das KARMEN-Experiment (Karlsruhe Rutherford Mittelenergie Neutrino- Experiment).

Die beiden sehr ähnlichen Experimente nutzten zur Suche nach Oszillationen myonische Antineutrinos aus den Zerfällen gestoppter Myonen. Die Auswertung der KARMEN-Daten in Karlsruhe jedoch zeigte keinen Oszillationsüberschuss. Welches Experiment, KARMEN oder LSND, hatte nun Recht? MiniBooNE, ein 1995 eingeweihter neuer Detektor am amerikanischen Fermilab sollte diese Frage klären. sollte diese Frage definitiv klären.

KARMEN hatte doch recht

Die große Herausforderung bei MiniBooNE lag in der eindeutigen Identifizierung der wenigen auf der Basis von LSND erwarteten elektronischen Neutrinos vor einem Hintergrund von mehreren Hunderttausend konventionellen Neutrino- Wechselwirkungen. Dementsprechend zeitintensiv gestaltete sich die Datenanalyse, bei der die Signalregion der Oszillationsereignisse über die gesamte Messzeit verdeckt blieb („blinde“ Analyse).

Erst kurz vor Ostern 2007 war es soweit: Knapp zehn Jahre nach der Einreichung des Experimentvorschlags wurde die Neutrino-Box von MiniBooNE endlich geöffnet. In der Box verbleibt nach Abzug von Untergrundereignissen kein Oszillationssignal. Die MiniBooNE-Resultate bestätigen damit die bereits 2001 erzielten Resultate von KARMEN und widerlegen eindeutig die Oszillationshypothese von LSND.

Kontroverse beigelegt, Fragen noch immer offen

Damit ist die wissenschaftliche Kontroverse zwischen LSND und den Karlsruher Neutrinoforschern entschieden: Die sorgfältigen Messungen von KARMEN haben sich als richtig erwiesen. Dass es hierbei um wesentlich mehr als eine Kontroverse zwischen zwei Experimenten ging haben die deutlich mehr als 100 Publikationen gezeigt, die sich seit 1995 mit möglichen theoretischen Erklärungen für den LSND-Effekt beschäftigten. Die Bestätigung von KARMEN durch MiniBooNE entzieht diesen teilweise exotischen Theorien den experimentellen Boden.

Die wichtigste Fragestellung der Neutrinophysik ist jedoch nach wie vor unbeantwortet: Wie schwer ist ein Neutrino? Dieser Fragestellung soll das Karlsruhe Tritium Neutrino- Experiment (KATRIN) mit bisher unerreichter Präzision nachgehen. KATRIN wird derzeit am Forschungszentrum Karlsruhe in der Nachfolge von KARMEN durch eine internationale Kollaboration aufgebaut und ab 2010 mit den Messungen beginnen.

(Forschungszentrum Karlsruhe, 16.04.2007 – NPO)