Das Rätsel um die Sonnen-Neutrinos

News: Das Rätsel um die Sonnen-Neutrinos

Tief im Inneren der Sonne entstehen bei Kernreaktionen Neutrinos - äußerst leichte, neutrale Teilchen, die kaum mit Materie wechselwirken. Seit dreißig Jahren rätseln Wissenschaftler, warum auf der Erde nur ein Bruchteil der theoretisch zu erwartenden Teilchenzahl nachzuweisen ist. Nun zeigen erste Ergebnisse eines Neutrino-Detektors in Kanada sowie einer ähnlichen Forschungsanlage in Japan, dass sich ein Teil der Neutrinos auf ihrem Weg von der Sonne zur Erde umwandelt und deshalb "unsichtbar" wird.

Thorsten Krome

Neutrinos sind Elementarteilchen, die keine elektrische Ladung tragen und nur eine klitzekleine Masse besitzen – so klein, dass man jahrelang davon ausging, sie wären masselos. Es gibt drei verschiedene Arten von ihnen: die Elektron-Neutrinos, die Myon-Neutrinos und die Tau-Neutrinos.

Unsere Sonne produziert ausschließlich Elektron-Neutrinos – dafür aber Unmengen von ihnen. Ray Davis konnte sie bereits im Jahr 1970 mit einem Detektor in einer ehemaligen Gold-Mine in Süd-Dakota nachweisen, fand aber schon damals heraus, dass gerade mal die Hälfte der theoretisch berechneten Teilchenzahl die Erde traf. Wissenschaftler zerbrachen sich seitdem die Köpfe darüber, warum die Zahl kleiner als erwartet ist. Entweder musste an den Theorie über die Abläufe in der Sonne oder dem Verständnis der Neutrinos etwas falsch sein.

"Wir sind nun recht sicher, dass die Diskrepanz nicht durch Probleme mit unserem Modell von der Sonne hervorgerufen werden, sondern durch Änderungen der Neutrinos selbst auf ihrer Reise von der Sonne zur Erde", meint Art McDonald vom Sudbury Neutrino Observatory (SNO). Die Änderung, von der McDonald spricht, ist ein Phänomen, dass Physiker Neutrino-Oszillationen nennen und das beschreibt, wie Neutrinos von einer Familie zur anderen wechseln. So wird aus einem Elektron-Neutrino beispielsweise ein Myon-Neutrino. Es würde erklären, warum nur ein Bruchteil der Elektron-Neutrinos die Erde erreicht, denn Myon- und Tau-Neutrinos sind nur schwer nachzuweisen.

Der SNO-Detektor, mit dem sich die Neutrino-Oszillationen nun nachweisen ließen, befindet sich 2000 Meter unter der Erde in einem Stollen einer Nickel-Mine in der Nähe von Sudbury in Ontario. Denn nur Neutrinos können die darüber liegenden Gesteinsmassen ungehindert durchdringen. Kosmische Strahlung und andere Störquellen werden durch sie abgeschirmt. Der Detektor selbst besteht aus einem Tank, gefüllt mit 1000 Tonnen so genannten schweren Wassers, bei dem Deuterium die Wasserstoffatome ersetzt. Trifft ein Elektron-Neutrino auf einen Deuterium-Kern, so wandelt sich das zusätzliche Neutron des Deuteriums in ein Proton um und sendet ein energiereiches Elektron aus, das seinerseits charakteristische Tscherenkow-Strahlung emittiert. Über 9000 Lichtsensoren, die kugelförmig um den Wassertank angeordnet sind, detektieren auch den kleinsten Lichtblitz. Etwa zehn Elektron-Neutrinos ließen sich so pro Tag nachweisen.

Zusammen mit Messungen des Super-Kamiokande, eines ähnlichen Detektors in Japan, lässt sich nun nicht nur mit 99-prozentiger Sicherheit sagen, dass Neutrino-Oszillationen die fehlenden Teilchenzahl erklären, sondern es ließ sich auch eine Obergrenze für die Masse eines Neutrinos errechnen. Damit ergibt sich nun, dass alle Neutrinos im Universum in etwa noch einmal die Masse aller sichtbaren Sterne aufbringen. Womit sie maximal für 18 Prozent der so genannten dunklen Materie verantwortlich sind – ein großer unbekannter Rest bleibt also noch.

Außerdem muss nun offenbar auch das Standardmodell der Elementarteilchen überarbeitet werden, denn das Modell gestattet Teilchen mit Masse keinen Wechsel der Familie. Nun sind also wieder die Theoretiker gefragt, die neuen Informationen in ein umfassendes, in sich schlüssiges Modell zu fassen.