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Neutrinos und Teilchen dunkler Materie öffnen Fenster zum Universum der Asymmetrie

Eine Diskrepanz im Verhalten von Neutrinos und Antineutrinos sowie Asymmetrien, die in unsichtbarer dunkler Materie verborgen sein könnten, liefern möglicherweise Hinweise auf ein hartnäckiges kosmisches Rätsel: Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?

Grundlagenforschung

Neutrinos gehören zu den am häufigsten im Universum vorkommenden Teilchen, sind aber dennoch äußerst mysteriös. Sie sind derart schwer definierbar, dass ihre Eigenschaften noch immer erforscht werden müssen. Frühe Anzeichen dafür, dass sich Neutrinos anders verhalten, wenn sie gegen Antineutrinos ausgetauscht werden – was eine Form der Verletzung der Ladungsparitätssymmetrie (charge-parity, CP) darstellt – sind ein wichtiger Hinweis darauf, dass die Materie gegenüber der Antimaterie überwiegt. Ein weiterer Bereich, in dem sich zusätzliche Ursprünge der CP-Symmetrieverletzung verbergen könnten, ist der Bereich der unsichtbaren dunklen Materie. Asymmetrien in den Rotationsfeldern von Axionen, hypothetischen Teilchen, um die es bereits als vielversprechende Kandidaten der dunklen Materie viel Medienrummel gab, werden jetzt als eine mögliche Erklärung dafür gehandelt, warum das Universum nicht leer ist. ELUSIVES ist ein im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziertes Erstausbildungsnetzwerk mit dem Schwerpunkt Neutrino- und Dunkle-Materie-Phänomenologie. Eine seiner Hauptaufgaben bestand darin, zu erforschen, wie diese Gebiete zusammenhängen. Insbesondere gilt es zu klären, warum die CP-Symmetrie in einigen Fällen scheinbar auftritt, in anderen aber nicht. Das Netzwerk konnte bedeutende Fortschritte erzielen, darunter mehr als 280 wissenschaftliche Publikationen.

Wo die Mysterien von Neutrinomasse und Antimaterie ihren Ursprung haben

Das T2K-Experiment in Japan hat den bislang belastbarsten Hinweis ergeben, dass die CP-Symmetrie durch die schwache Leptonenwechselwirkung verletzt wird. Die Ergebnisse zeigen Diskrepanzen zwischen den Neutrinooszillationen, und zwar in der Art und Weise, wie sich Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos und Myon-Antineutrinos in Elektron-Antineutrinos umwandeln. Die Konfidenz beträgt 3σ. Anhand detaillierter Analysen der Neutrinooszillationsdaten konnte das ELUSIVES-Forschungsteam sehr strenge Randbedingungen für die Mischparameter steriler Neutrinos festlegen. Auffallendes Merkmal der Neutrinos ist ihre extrem kleine Masse. Dies deutet darauf hin, dass Neutrinos nicht nur durch das Higgs-Feld an Masse gewinnen, wie es bei den meisten Teilchen der Fall ist. Das wissenschaftliche Team von ELUSIVES untersuchte die Möglichkeit, dass neue schwerere Teilchenzustände von entscheidender Bedeutung für die Entstehung von Neutrinomassen sein könnten. Es wurde vorgeschlagen, dass der große Hadronen-Speicherring (Large Hadron Collider) und zukünftige Teilchenbeschleuniger ihre Empfindlichkeit in Bezug auf diese verbessern könnten, indem sie nach dem starken Signal der verschobenen Zerfälle von Neutrinomassenvermittlern suchen. Sobald dieses Problem der Neutrinomassenhierarchie gelöst ist, könnte sich das Wissenschaftsteam noch besser der Lösung eines weiteren drängenden Rätsels dieser Geisterteilchen widmen: Sind Neutrinos gar ihre eigenen Antiteilchen? „Sollten die Neutrinos Majorana-Teilchen sein, so hätte dies tiefgreifende Auswirkungen auf die Teilchenphysik. Die Forschungsgruppe untersucht diese Möglichkeit anhand des sogenannten neutrinolosen doppelten Betazerfalls“, erläutert Belén Gavela, Professorin für Theoretische Physik an der Autonomen Universität Madrid und Koordinatorin von ELUSIVES. An den Experimenten GERDA, CUORE und NEXT mitarbeitende Projektmitglieder suchen bei Germanium-76, Tellur-130 und Xenon-136 nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall.

Axionen und axionähnliche Teilchen lösen viele Rätsel gleichzeitig

Das Axion Dark Matter Experiment hat überaus gute Randbedingungen für die Existenz und die Eigenschaften von Axionen definiert. Nun analysierten die Forschenden von ELUSIVES, ob das Axion viel schwerer als bisher angenommen sein kann, denn dies würde den experimentellen Bereich, in dem das starke CP-Problem gelöst werden kann, erheblich erweitern, und es sogar für den großen Hadronen-Speicherring und zukünftige Teilchenbeschleuniger zugänglich werden lassen. Zudem bewerteten sie umfassend den Beitrag axionähnlicher Teilchen zu Leptonen-Dipolmomenten und untersuchten, ob es einen Zusammenhang zwischen Axionen und der Theorie der minimalen Flavour-Verletzung gibt. Andere Projektmitglieder schlugen neuartige Gravitationswellensignale von axionähnlicher dunkler Materie vor. Im Rahmen des Experiments XENON1T trugen die Projektmitglieder dazu bei, die strengsten Grenzwerte für Interaktionen schwach wechselwirkender massereicher Teilchen festzulegen. ELUSIVES lieferte zahlreiche weitere Ergebnisse zu Neutrinos und Kandidaten für dunkle Materie, die zukünftig die Wissenschaft in die Lage versetzen könnten, die Fragen über die fundamentalen Symmetrien der Natur zu beantworten. Dank der Ergebnisse von ELUSIVES kann Europa nun seine Führungsrolle behaupten sowie noch besser im Wettbewerb um die Erforschung der Neutrinos und der dunklen Materie mithalten.

Schlüsselbegriffe

ELUSIVES, Neutrino, Axion, dunkle Materie, Antineutrino, CP-Symmetrie, Massenhierarchieproblem, Asymmetrien

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