Internationales Neutrino-Experiment erfolgreich abgeschlossen

Neutrinos sind von so kleiner Masse, dass sie fast ohne Widerstand den Erdball durchqueren können. Die Spuren der winzigen Elementarteilchen sind kaum aufzuspüren, da sie ungeladen sind und daher praktisch nicht mit ihrer Umgebung interagieren. Teilchenphysiker interessieren sich besonders für sie, da sie in drei Typen vorkommen: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos, die sich ineinander verwandeln können.

Die Umwandlung eines Myon- in ein Tau-Neutrino wurde erstmals 2010 im internationalen OPERA-Experiment beobachtet. Nun haben die OPERA-Forschenden eine fünfte solche Beobachtung vermeldet – damit ist die für Teilchenphysik statistisch erforderliche «5 Sigma»-Stufe erreicht. Damit beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass es sich beim beobachteten Signal um etwas anderes handelt als die Umwandlung eines Myon- in ein Tau-Neutrino, 1:3,5 Millionen. Mit dem definitiven Beleg dieser Umwandlung findet das OPERA-Experiment nun seinen erfolgreichen Abschluss. In einer Medienkonferenz werden heute die Ergebnisse präsentiert.

OPERA-Schlüsselgruppe aus Bern

Die Umwandlung von Neutrinos galt lange als Spekulation. 1998 wurde erstmals nachgewiesen, dass Myon-Neutrinos aus der kosmischen Strahlung in kleinerer Zahl die Erde erreichen als erwartet. Tatsächlich verwandeln sich die vermeintlich «fehlenden» Neutrinos aber in Tau-Neutrinos, wie das jetzige Ergebnis belegt.

«Der Nachweis dieser sogenannten Neutrino-Oszillationen ist wichtig für unser Verständnis von der Entstehung des Universums», sagt Antonio Ereditato, Leiter des Labors für Hochenergiephysik (LHEP) und Direktor der Albert Einstein Centers für Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern. Eines der grössten, noch ungeklärten Rätsel der Wissenschaft sei bis heute, warum beim Urknall mehr Materie als Antimaterie erzeugt wurde. Neutrino-Oszillationen können möglicherweise wichtige Hinweise auf den zugrundeliegenden Mechanismus dieser Asymmetrie liefern und damit das Verständnis über die Entstehung des Universums verbessern.

«Mit dieser wichtigen Entdeckung beenden wir ein langes wissenschaftliches Abenteuer auf bestmögliche Weise», sagt Ereditato, der das OPERA-Experiment 1997 mit zwei weiteren Physikern, Kimio Niwa und Paolo Strolin, vorgeschlagen hatte. Seither waren zahlreiche Berner Forschende und Studierende massgeblich daran beteiligt, vor allem bei der Konstruktion des Teilchendetektors und in der Datenauswertung, die am LHEP durchgeführt wurde.

Damit ist die Arbeit für die Berner Forschungsgruppe aber noch lange nicht beendet: Einerseits werden weitere Daten analysiert und erstmals auch die oszillierten Tau-Neutrinos verwendet, um die Parameter des Umwandlungsprozesses zu bestimmen. Zusätzlich sind die Berner bereits an zwei neuen Neutrino-Projekten in den USA beteiligt. «Wir wollen noch weitere Geheimnisse der Neutrinos lüften», sagt Ereditato. 

Neutrinos auf dem Weg nach Rom

Das OPERA-Experiment (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus) ist in einem Untergrund-Labor im Gran Sasso-Massiv bei Rom stationiert. Der Detektor zum Nachweis von Neutrinos ist ein Koloss von 4000 Tonnen, der aus 1-Millimeter dicken Bleiplatten besteht. Zwischen den Bleiplatten befinden sich dünne Filme aus Photoemulsion, um die Spuren der Teilchen nachzuweisen, die bei einer Interaktion mit dem Detektor entstehen. Die Filme werden schliesslich an computergesteuerten Mikroskopen am Labor für Hochenergiephysik (LHEP) der Universität Bern ausgewertet.

Die Neutrinos kamen aus Genf, wo das CERN einen Strahl von Myon-Neutrinos mit einem Teilchenbeschleuniger erzeugte und in Richtung des Gran Sasso Labors losschickte. Auf der Flugstrecke von 731 Kilometern sollte sich ein Teil der ausgesandten Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos umwandeln. 2010 wurde das erste Tau-Neutrino im OPERA-Detektor beobachtet, gefolgt von weiteren Beobachtungen 2012, 2013 und 2014. Mit der fünften Beobachtung gilt die Umwandlung nun als belegt.

Die für OPERA entwickelte Technologie findet nicht nur in der Neutrino-Physik Anwendung, sondern auch in anderen Gebieten. Insgesamt waren und sind von Berner Seite rund 30 Mitarbeitende an OPERA beteiligt, darunter auch die emeritierten Professoren Klaus Pretzl und Jean-Luc Vuillemier.