Als eine amerikanische Forschergruppe der Los Alamos-Laboratorien in den Neunzigerjahren postulierte, dass neben den bekannten drei Neutrinoarten noch eine vierte in der Natur vorkommen würde, war die Aufregung in der Fachwelt groß. Wissenschaftler haben das ursprüngliche Experiment nun mit höherer Genauigkeit an einem Teilchenbeschleuniger des Fermilabs ausgeführt und sind dabei zu einem negativen Ergebnis gekommen. Demnach gibt es neben dem Elektron-, dem Myon- und dem Tau-Neutrino wohl doch keine vierte Sorte mit geringer Masse.
Neutrinos sind Elementarteilchen mit extrem geringer Masse, die nur durch die Schwache Kernkraft und die Gravitation Wechselwirkungen eingehen können. Sie sind daher nur sehr schwer nachzuweisen und beflügeln so schon seit vielen Jahrzehnten die Phantasie von Elementarteilchenphysikern. Forscher um Janet Conrad von der Columbia-Universität haben nun mithilfe eines Experiments untersucht, ob neben den drei bekannten Neutrinoarten noch eine vierte Sorte zur Interpretation von Experimenten mit Teilchenbeschleunigern herangezogen werden muss.
In ihrem Experiment untersuchten die Forscher die Umwandlung von Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos. Dazu wurde zunächst ein Strahl energiereicher Protonen auf einen Masseblock geschossen. Der Aufprall führte zur Aussendung energiereicher Mesonen, die schon nach winzigen Sekundenbruchteilen in Myon-Neutrinos zerfielen.
Diese Neutrinos wurden dann nach dem Durchfliegen einer fünfhundert Meter langen Röhre auf einen Detektor geleitet. Der Trick des Experiments bestand nun darin, dass dieser sowohl für Myon- als auch für Elektron-Neutrinos empfindlich war. Auf diese Weise konnten die Forscher also untersuchen, ob sich einige der Myon-Neutrinos über die kurze Flugbahn hinweg in Elektron-Neutrinos umgewandelt hatten. Conrad zufolge war dies bei Neutrinos mit hinreichend hohen Energien nicht der Fall.
Die Forscher haben somit die Mitte der neunziger Jahre veröffentlichen Befunde widerlegt. Damals wurden in einem ähnlichen Experiment Elektron-Neutrinos aufgefangen. Theoretiker spekulierten daraufhin, dass eine über so kurze Strecken hinweg stattgefundene Neutrinoumwandlung nur durch die Annahme einer vierten Sorte erklärt werden könne, die nur durch die Gravitationskraft mit anderen Teilchen interagiert.
Um die Neutrinos nachzuweisen, benutzten die Forscher einen großen Tank aus Mineralöl. Wenn Elektron-Neutrinos auf ein Neutron des Öls aufprallen, so entstehen ein freies Elektron und ein energiearmes Proton. Myon-Neutrinos hingegen erzeugen beim Zusammenstoss mit einem Proton des Öls ein Myon und ein freies Proton. Durch den Nachweis dieser Elementarteilchen konnten die Forscher die beiden Neutrinoarten voneinander unterscheiden.
Mitteilung des Fermilabs Stefan Maier
