In jeder Sekunde strömen Milliarden Neutrinos durch unseren Körper. Weil diese Elementarteilchen aber kaum mit Materie wechselwirken, merken wir dies nicht. Doch sie spielen für unser Standardmodell und viele grundlegende Fragen der Kosmologie und Physik eine entscheidende Rolle – vom Ungleichgewicht zwischen Antimaterie und Materie über „neue Physik“ jenseits des Standardmodells bis hin zu den noch unbekannten Teilchen der Dunklen Materie.
Das Problem der Neutrinomassen(n)
Doch um die Rolle der Neutrinos für diese Fragen zu klären, müssen Physiker erst das größte Rätsel dieser Elementarteilchen lösen: ihre Masse. Lange galten Neutrinos als komplett masselos, doch die Neutrino-Oszillation belehrte Physiker eines Besseren: Die Fähigkeit der Neutrinos, sich im Flug von einer der drei Sorten in eine andere zu verwandeln, erfordert es, dass Elektron-, Tau- und Myon-Neutrinos leicht unterschiedliche Massen besitzen. Wann und wie oft sich ein Neutrino von einer Sorte in eine der anderen beiden umwandelt, hängt von diesem Massenverhältnis ab.
Bisher gibt es für die Neutrinomasse jedoch nur Näherungswerte und diese liefern keine ausreichenden Informationen über die einzelnen Neutrinosorten. Neutrino-Detektoren und Experimente haben bislang nur ermitteln können, dass es zwischen den drei Neutrinosorten zwei unterschiedlich große Massenlücken gibt: Betrachtet man das Quadrat ihrer Massen, ist eine dieser Lücken rund 30-mal größer als die andere.
Das Problem: Zwischen welchen Neutrinosorten diese beiden unterschiedlich großen Massenabstände liegen, ist bislang ungeklärt. Dadurch ist auch noch offen, welche Neutrinosorte beispielsweise die schwerste und welche die leichteste ist.
Atomreaktoren, 20.000 Tonnen Detektorflüssigkeit und 45.000 Photodetektoren
Ein neuer Neutrino-Detektor könnte nun dieses Rätsel lösen. Denn erste Messungen eines erst im August 2025 eingeweihten Neutrino-Detektors in China haben vielversprechende Ergebnisse erbracht. Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) ist speziell darauf ausgelegt, die Oszillation der Neutrinos und die Massenanteile ihrer verschiedenen Sorten zu messen. Dafür liegt das Neutrino-Observatorium unter einer gut 650 Meter dicken Gesteinsdecke, die es vor Störeinflüssen abschirmt.
Herzstück der JUNO-Anlage ist eine 35 Meter große Detektorkugel, die mit rund 20.000 Tonnen eines Flüssig-Szintillators gefüllt ist – einer Detektorflüssigkeit aus organischen Kohlenwasserstoffen. Wenn ein Neutrino diese Szintillator-Flüssigkeit durchfliegt, erzeugt es durch Kollisionen und Zerfallsprodukte eine Lichtspur. Diese wird von gut 45.000 Photosensoren detektiert. Ziel dieses Detektors ist es, die Oszillation von Antineutrinos einzufangen und zu analysieren, die durch Kernspaltung in zwei rund 53 Kilometer entfernten Atomkraftwerken entstehen.
„In diesem Abstand erzeugt die Interferenz zwischen den Oszillationsfrequenzen eine maximale spektrale Aufweitung des Reaktor-Neutrinospektrums“, erklären die Physiker der JUNO-Kollaboration. „Daraus können die Oszillationsparameter präzise extrahiert werden.“ JUNO ist die erste Anlage, die die genauen Werte beider Massenlücken simultan messen kann.
„Neue Ära der Neutrino-Messungen“
Jetzt liegen die ersten Messergebnisse vor. Das Team der JUNO-Kollaboration um Liangjian Wen vom Institut für Hochenergiephysik in Peking hat dafür die Daten der ersten knapp 60 Messtage ausgewertet. In dieser Zeit detektierte die JUNO-Anlage knapp 2380 Antineutrinos aus Betazerfällen in den Atomreaktoren. Anhand des Energiespektrums dieser Teilchen konnten die Physiker zwei wichtige Parameter der Neutrino-Oszillation erstmals in hoher Genauigkeit und simultan ermitteln.
„Wir haben dadurch die Unsicherheiten bei der Massendifferenz Δm221 auf 1,6 Prozent verringert“, schreibt das Team. Bisher lag die Messunsicherheit der besten Messdaten bei 2,5 Prozent. Schon diese ersten Messergebnisse bestätigen damit, dass die JUNO-Anlage die in sie gesetzten Hoffnungen erfüllt. „Unsere Resultate bestätigen, dass die Leistung des Detektors, die Kalibrierungsstrategien und die Analyse-Pipeline so funktionieren wie erwartet“, konstatieren die Forschenden der JUNO-Kollaboration.
„Dieses erste Resultat von JUNO markiert den Anbruch einer neuen Ära, in der die Neutrino-Oszillation präzise gemessen werden kann“, schreiben die beiden nicht an der Studie beteiligten US-Physikerinnen Patricia Vahle und Zoya Vallari in einem begleitenden Kommentar in „Nature“. „Das Verhalten der Neutrinos zu verstehen ist entscheidend, um Materie und Kräfte auch in den kleinsten Größenordnungen vollständig zu beschreiben. Das JUNO-Observatorium verspricht uns wichtige Einblicke in die Eigenschaften dieser mysteriösen Elementarteilchen.“
So geht es weiter
Es bestehen demnach gute Aussichten, dass das JUNO-Neutrino-Observatorium das Rätsel der Neutrino-Oszillation und der Neutrino-Massenverteilung in den nächsten Jahren lösen wird. Dann könnten Physiker endlich klären, welche Massenreihenfolge die drei Neutrinosorten haben und zwischen welchen Sorten welche Massenlücke liegt. Noch reichte die kurze Messdauer nicht aus, um auch die zweite Massenlücke Δm231 genauer einzugrenzen, wie die JUNO-Kollaboration erklärt.
Die Präzision dieses Wertes soll sich aber durch weitere Messungen und eine Erweiterung des JUNO-Observatoriums verbessern. Dafür wird ein zusätzlicher Detektor, das Taishan Antineutrino Observatory (TAO), in rund 30 Metern Entfernung vom Reaktorkern eines Atomkraftwerks aufgestellt. Dies ermöglicht es, die Menge der im Reaktor erzeugten Elektron-Antineutrinos direkt nach ihrer Entstehung zu ermitteln. Durch den Vergleich mit den Werten am 53 Kilometer entfernten JUNO-Detektor lässt sich die Neutrino-Oszillation dann noch genauer erfassen.
Quelle: Liangjian Wen, Lei Liu (Institute of High Energy Physics, Beijing) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-10538-z
