Universität Bern auf der Jagd nach verwandelten Neutrinos

Eines der wichtigen Ziele der Elementarteilchenphysik ist es, die Eigenschaften von Neutrinos besser zu verstehen. Wegen der hohen Dichte von Neutrinos im Weltraum sind Erkenntnisse über diese schwer fassbaren Teilchen wesentlich für das Verständnis des Universums. Neutrinos kommen in drei verschiedenen Typen vor: Elektron-, Müon- und Tau-Neutrinos. Sie können sich auf einer langen Flugstrecke von einem Typ in einen anderen verwandeln. In der Elementarteilchenphysik wird diese Umwandlung «Neutrino-Oszillation» genannt.

Bei Neutrinos, die von der Sonne kommen, ist dieser Effekt schon lange bekannt. Auf der Erde werden nämlich nur rund halb so viele Elektron-Neutrinos von der Sonne gemessen, wie eigentlich vorhanden sein sollten, weil sie sich unterwegs in einen anderen Typ verwandeln. Noch nie konnte aber die Neutrino-Oszillation direkt gemessen werden. Dies soll nun durch ein internationales Experiment ermöglicht werden, bei dem die Universität Bern seit Anfang an eine massgebliche Rolle spielt. Die Resultate des Experiments werden international mit Spannung erwartet.

Die Verwandlung von Neutrinos endgültig nachweisen 

Das OPERA-Projekt will in Beinahe-Echtzeit die Umwandlung von Neutrinos in einem Neutrino-Strahl nachweisen, der am CERN bei Genf erzeugt wird. Nach einer Reise von 731 km durch die Erde erreicht er das Untergrund-Labor in den Bergen bei Rom. Wenn der Neutrino-Strahl das CERN verlässt, besteht er vor allem aus Müon-Neutrinos. Im Römer Labor wird dann gezielt nach Tau-Neutrinos gesucht, um die Verwandlung von Müon- zu Tau-Neutrinos nachzuweisen.

Dies wäre dann der endgültige Beweis, dass Neutrinos nicht «verschwinden», sondern dass sie sich effektiv von einem Typ in den anderen umwandeln. «Es ist ähnlich wie bei der Aufklärung eines Verbrechens», erklärt Urs Moser vom Institut für Hochenergiephysik. «Am Tatort liegt alles vor, aber wir müssen noch den Tathergang bestimmen.»

Heute wird im Römer Untergrundlabor im Beisein des italienischen Forschungsministers und Vertretern der Universität Bern sowie der anderen beteiligten Institute der Start des Projektes gefeiert.

Riesiger Detektor für kleinste Teilchen

Neutrinos sind Teilchen, die nur eine sehr kleine Masse haben. Sie sind im Gegensatz zu Protonen oder Elektronen elektrisch neutral. Daher können sie zum Beispiel ohne grossen Verlust oder Reaktionen die ganze Erde durchfliegen. Um trotzdem eine genügende Anzahl von Reaktionen beobachten zu können, zeichnen sich alle Neutrino-Detektoren durch eine imposante Grösse aus. Der OPERA-Detektor besitzt eine Masse von 1’800 Tonnen und eine Grösse von ca. 7x7x25 Metern.

Ein solches Projekt lässt sich nur in Zusammenarbeit von mehreren Ländern und Universitäten realisieren. OPERA hat zurzeit etwa 180 Mitarbeiter aus 13 Ländern. Das OPERA-Projekt wurde 1998 begründet und ist in den letzten Jahren am Untergrund-Labor bei Rom aufgebaut worden. Aus der Schweiz beteiligen sich neben der Universität Bern auch die Universität Neuenburg und die ETHZ.

Für das OPERA-Experiment wurde am CERN ein spezieller Neutrino-Strahl aufgebaut, der auf das Römer Untergrund-Labor gerichtet ist. Am 18. August 2006 wurde dieser Strahl das erste Mal in Richtung des Untergrund-Labors geschossen. Schon am nächsten Tag waren die ersten Resultate ausgewertet und damit der Beweis für die gute Qualität des Strahls erbracht. Die Laufzeit des Experiments wird etwa fünf Jahre betragen. Die seltenen Tauneutrino-Reaktionen werden auf Filmplatten aufgezeichnet und mit computergesteuerten Mikroskopen an der Universität Bern analysiert.