„Beim nächsten Neutrino ist es ...“

Um einer der zentralen Fragen der Physik auf den Grund zu gehen, kann ein bisschen Interdisziplinarität durchaus einen Denkanstoss geben. In einer kürzlich auf AVS Quantum Science veröffentlichten Arbeit hat sich der Experimentalphysiker Federico Sánchez von der Universität Genf mit dem Theoretiker José Bernabeu und dem Doktoranden Alejandro Segarra von der Universität Valencia in Spanien sowie dem Experten für Atominterferometrie Dylan Sabulsky vom SYRTE des CNRS am Pariser Observatorium zusammengetan. Gemeinsam haben sie ein Konzept für ein Atomuhr-ähnliches Experiment - im Grunde ein Quantenpotentiometer - entwickelt, das nicht nur die Massen der vorhandenen Neutrinos messen, sondern auch die Art der Neutrinos unterscheiden könnte. Wenn es gebaut wird und funktioniert, würden viele offene Fragen über Neutrinos beantwortet werden.

"Unser Artikel ist wie ein offener Aufruf an die Physikgemeinschaft. Zunächst möchten wir unsere Idee vorstellen und von den vielen verschiedenen Forschungsbereichen, an die sie sich richtet, Feedback einholen - es ist wichtig, auf ihr Fachwissen zu zählen. Um das Projekt zu verwirklichen, müssten wir ein ganz neues Expertenteam zusammenstellen. Aber die gute Nachricht ist: Das wäre nicht sehr teuer", sagt Federico Sánchez.

Ein Problem, das sie mit ihrem Experiment angehen wollen, ist die genaue Masse des Neutrinos. Die Neutrinomasse ist mit konventionellen Methoden schwer zu messen - wenn es so etwas wie konventionelle Methoden in der Teilchenphysik überhaupt gibt, denn die meisten Detektoren und Experimente sind von ihrer Art her recht aussergewöhnlich. Eine weitere offene (aber verwandte) Frage ist, durch welchen Mechanismus Neutrinos mit Masse ausgestattet werden und ob sie ihr eigenes Antiteilchen sein können.

Neutrinos haben eine Reihe von Eigenschaften, die denjenigen, die sie untersuchen wollen, vor eine Reihe von Herausforderungen stellen. Nach der zugrundeliegenden Theorie der Elementarteilchen, dem Standardmodell, sollten sie keine Masse haben. Experimente haben jedoch gezeigt, dass sie von einer Sorte Neutrinos in eine andere wechseln, was beweist, dass sie tatsächlich eine Masse haben. Im Standardmodell der Teilchenphysik wird die Masse von Elementarteilchen durch die Interaktion vom Higgs mit Teilchen und ihren entsprechenden Antiteilchen erzeugt. Grundsätzlich benötigen wir zwei Arten von Teilchen und zwei entsprechende Antiteilchen, um diese Wechselwirkung zu realisieren. Diese Teilchen haben Eigenschaften, die die Physik als "rechtshändig" und "linkshändig" bezeichnet, weil sie einem sich drehenden Objekt ähnlich sind. Allerdings haben Neutrinos nur eine dieser Händigkeit für Teilchen und eine für Antiteilchen. Es könnte sie zwar auch in der jeweils anderen Händigkeit geben, aber nur zwei der vier können mit der Materie wechselwirken, so dass sie nachweisbar sind, die anderen sind träge oder "steril". Wenn sie nicht wechselwirken oder "nachweisbar" sind, existieren sie dann? Und wenn nicht, wie erhalten die Neutrinos ihre Masse, wenn sie nicht mit dem Higgs-Teilchen wechselwirken?

Die gängigste Theorie besagt, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind, die bis auf ihre Händigkeit identische Eigenschaften haben: Linkshändige Neutrinos verhalten sich wie Teilchen und rechtshändige wie Antiteilchen.

Wären Neutrino und Antineutrino ein und dasselbe Teilchen, könnten sie als sogenannte Majorana-Teilchen eingestuft werden. Die einzige Möglichkeit, diese Hypothese zu testen, besteht derzeit in einem Mechanismus, der als neutrinoloser doppelter Betazerfall bezeichnet wird, bei dem sich zwei Neutronen in einem Kern in zwei Protonen verwandeln und nur zwei Elektronen freisetzen. Das Standard-Neutrino, das im Standardmodell beschrieben wird, lässt diesen radioaktiven Zerfall nicht zu. "Es gibt keine uns bekannte Alternative zu diesem Prozess, aber er ist komplex und wenn wir keinen Zerfall sehen, widerlegt das nicht das Neutrino als Majorana-Teilchen. Nicht in allen Fällen", sagt Sanchez.

Der knifflige Punkt - einer von vielen, wie Sie vielleicht gemerkt haben - ist, wie man herausfindet, ob es sich um ein Neutrino oder sein Antiteilchen handelt. Bei hohen Energien verhalten sich beide gleich und können nicht unterschieden werden. Man kann sie nur bei niedrigen Energien und Entfernungen unterscheiden - wenn sie nichtrelativistisch werden, d. h. nicht mehr der Relativitätstheorie folgen.

Ein Doktorand sollte berechnen, wie groß die Wechselwirkung, genauer gesagt das Abstossungspotenzial, zwischen zwei Kernen durch den Austausch zweier virtueller Neutrinos wäre. Auf dem Papier ist die Masse des Neutrinos umso geringer, je grösser die Reichweite der Wechselwirkung ist. Wenn man also die Stärke dieser Wechselwirkung bei kleinen physikalischen Entfernungen (1 Mikron) misst, kann man den Wert ihrer Masse bestimmen. Diese Kraft hängt auch von der Art des Neutrinos ab: handelt es sich um das Standard-Dirac-Neutrino oder das exotischere Majorana-Neutrino? Wäre es also möglich, eine experimentelle Umgebung zu schaffen, in der all diese Anforderungen erfüllt werden? Was ist für Energien empfindlich, die so niedrig sind – nur 10-56 Joule, 1016 mal kleiner als die Gravitationsanziehung?

An dieser Stelle kamen Atomuhren und der Experte für atomare Interferometrie Dylan Sabulsky ins Spiel. Atomuhren nutzen elektronische Übergänge in Atomen für die Zeitmessung, indem sie diese sehr stabilen und präzisen Mikrowellen oder optischen Resonanzfrequenzen der Atome nutzen. Wenn man dann noch eine durch Neutrinos induzierte Kraft hinzufügt, könnte das ein ziemlich revolutionärer Ansatz sein! "In der Theorie ist das wunderschön", sagt Sánchez. In der Praxis würde es so aussehen: Ausgehend von einer kalten Atomquelle spaltet man die atomare Wellenfunktion des Ensembles mit einem Laser in zwei Teile. Die beiden Teile bilden einen kohärenten quantenmechanischen Zustand. Einer der aufgespaltenen Teile läuft durch ein Loch in einem mikrometergrossen Zylinder, der Quelle für die Wechselwirkung, während der entweder durch den freien Raum oder einen Zylinder mit einem Loch anderen Durchmessers läuft. Die Atome in der Nähe der Zylinderwand werden das Neutrinopotenzial wahrnehmen, die anderen nicht. Dadurch ticken die Atomuhren entlang der beiden Strecken mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Wenn man beide Teile rekombiniert, stellt man fest, dass die Atomuhr der einen Strecke langsamer geht als die des anderen, wodurch ein Interferenzmuster entsteht.

"Diese Idee erfordert den Beitrag von Experten aus vielen verschiedenen Bereichen, aber die gute Nachricht ist: Sie wäre nicht sehr teuer und ihre Ergebnisse wären für viele andere Messungen bahnbrechend. Es ist sogar so grundlegend, dass es selbst ein bahnbrechendes Experiment wäre", sagt Sánchez. "Ich bezweifle, dass ich das Ergebnis während meines Berufslebens sehen werde, aber irgendwann muss man ja mal anfangen, oder?"

Barbara Warmbein

Originalveröffentlichung “Neutrino mass and nature through its mediation in atomic clock interference”

Kommentar in AVS Quantum Science “Exploring the two-neutrino exchange potential”