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Die Lücke zwischen Vorhersagen und Beobachtungen in der Neutrinophysik schließen

Die als Neutrinos bekannten subatomaren Teilchen erweisen sich bei der Suche nach einer neuen Physik jenseits des „Standardmodells“ als vielversprechend. Vor diesem Hintergrund griff das Projekt ENCORE sowohl auf terrestrische Experimente als auch auf Erkenntnisse aus der Kosmologie zurück, um mehr über die Eigenschaften von Neutrinos zu erfahren.

Weltraum

Neutrinos sind schwer fassbare Teilchen, was zum Teil an ihrer Masse liegt, die viel kleiner als die Masse anderer bekannter Elementarteilchen ist. Darüber hinaus lassen sie sich nicht anhand des sogenannten „Standardmodells der Teilchenphysik“ erklären. Da sie nur schwach mit Masse interagieren, können sie die Erde außerdem nahezu unerkannt durchdringen. Es sind drei Arten von Neutrinos bekannt: das Elektronenneutrino, das Myon-Neutrino und das Tau-Neutrino. Es wird jedoch eine vierte Art vorgeschlagen, die als „steril“ bezeichnet wird, da ihre Interaktion mit Materie noch geringer ist. Anhand terrestrischer Experimente und ergänzender Kosmologie-Sondierungen wurden im Rahmen des Projekts ENCORE, das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt wurde, rechnergestützte Instrumente und statistische Methoden zur Berechnung der theoretischen Vorhersagen verschiedener Neutrino-Phänomene entwickelt. Diese wurden anschließend mit Versuchsergebnissen verglichen, um genaue Modelle zu entwickeln. „Obwohl diese Instrumente bereits bekannt waren und eher einfach gestrickt sind, war es spannend, sie zum ersten Mal in der Neutrinophysik anzuwenden“, erklärt Stefano Gariazzo von der gemeinsamen Forschungsstelle Instituto de Física Corpuscular (IFIC). Sie ist sowohl an den Spanischen Nationalen Forschungsrat (CSIC), der das Projekt durchgeführt hat, als auch die Universität Valencia angegliedert.

Von Kernreaktoren bis zum frühen Universum

ENCORE stellte sich mithilfe terrestrischer Experimente den Problemen, die mit der theoretischen Berechnung der Anomalie eines Kernreaktors zusammenhängen. Kernreaktoren sind hervorragende Neutrinoquellen, die prognostizierte Zahl von Elektronenantineutrinos entspricht jedoch nicht den Beobachtungen vieler Experimente. Damit sein Modell so weit wie möglich mit den Beobachtungen übereinstimmt, passte das ENCORE-Team die Werte der Parameter ihres Modells an. „Am Ende kam es zu keiner Übereinstimmung, wir lagen ein paar Prozente daneben. Unser Ansatz ist jedoch wichtig, um ein besseres Verständnis für das Verhalten von Kernreaktoren zu gewinnen. Mit seiner Hilfe könnten sie überwacht und so die Entwicklung von Kernwaffen verhindert werden“, sagt Gariazzo, der außerdem an der Universität Valencia tätig ist. Wenn bekannt ist, wie viele Neutrinos die einzelnen Reaktorisotope jeweils produzieren, lässt sich die Zusammensetzung eines Reaktors bei der Überwachung durch eine Messung der austretenden Neutrinos feststellen. Somit könnten Veränderungen bei Kraftstoffmengen erkannt werden, die darauf schließen ließen, dass etwas für Kernwaffen abgeschöpft wurde. Obwohl in den ältesten Erkenntnissen zur Ausdehnung des Universums, zum Beispiel in Daten zur kosmischen Hintergrundstrahlung, ein System aus drei Neutrinos bevorzugt wird, untersuchte das Team anhand der Kosmologie, ob es noch ein viertes geben könnte. ENCORE führte die erste vollständige Berechnung von Neutrino-Oszillationen im frühen Universum durch, bei der von vier Neutrinos ausgegangen wird. Das Team nahm auch die erste Berechnung einer „Relikt-Neutrino-Clusterbildung“ vor, bei der sich kosmische Neutrinos aufgrund des Gravitationspotenzials großer kosmologischer Strukturen nahe der Erde sammeln. Vorherige Berechnungen berücksichtigten lediglich die Milchstraße, während ENCORE auch benachbarte Galaxien und Galaxiengruppen miteinbezog. Das ist wichtig, da durch eine Steigerung des Volumens nachweisbarer Neutrinos weitere Untersuchungen dieser schwer fassbaren Teilchen möglich werden. „All diese Ergebnisse schränken die Parameter ein, welche die Oszillationen der verschiedenen Neutrino-Arten beschreiben. Dies wird einen Beitrag zu künftigen Studien leisten, bei denen untersucht wird, ob es drei oder mehr Neutrinos gibt“, so Sergio Pastor, Projektleiter am IFIC in Valencia.

Kontinuierliche Bemühungen

Das Team arbeitet nun an einer Möglichkeit, um die Ergebnisse von ENCORE im PArthENoPE-Code für die primordiale Nukleosynthese zu nutzen, der die Entstehung von Lichtkernen während der frühen Phase des Universums errechnet. Die Parameter des ENCORE-Modells werden nun stetig aktualisiert, sobald in den kommenden Jahren neue Daten veröffentlicht werden. Im kosmologischen Kontext werden die Modelle auf Daten von DESI und Euclid aufbauen. Daten von JUNO, ORCA und STEREO werden Einblicke in Reaktor- und atmosphärische Neutrinos gewähren.

Schlüsselbegriffe

ENCORE, Neutrino, Kosmologie, nuklear, Reaktor, subatomar, Teilchen, Physik, Erde, Galaxie, Milchstraße, Standardmodell

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