Neutrinos : Das größte Experiment der Welt

Wie Forscher unter dem Gran Sasso in Italien die Physik auf den Kopf stellen. Das Laboratorium ist einzigartig.

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Gran SassoWer der Sonne ausweichen will, geht in den Schatten. Wer ihr näherkommen will, der muss unter den Berg. So widersinnig das klingt – es erklärt, was Forscher aus 28 Ländern im Zentrum Italiens tun. Mitten im Bergmassiv des knapp 3000 Meter hohen Gran Sasso, im weltgrößten unterirdischen Forschungslabor, versuchen sie kleinste Elementarteilchen einzufangen. Es geht um jene geheimnisvollen Neutrinos, die aus der Sonne kommen und anscheinend völlig ungehindert jegliche Materie durchdringen, die in dichten Schwärmen auch mitten durch den Erdball schießen und das sogenannte Standardmodell auf eine harte Probe stellen: die Vorstellung, die Wissenschaftler bisher vom Aufbau der Atome, von der Bildung der Materie und letztlich von der Entstehung der Welt haben.

Das Laboratorium des Nationalen Italienischen Instituts für Kernphysik (INFN) mit seinen drei Röhren ist einzigartig. „Andere Forschungsstätten dieser Art“, sagt Labor-Chefin Lucia Votano, „sind in Bergwerken untergebracht, wo man nur mit Aufzügen hinunterkommt. Wir aber haben einen Autobahnanschluss mitten im Berg und fahren mit den Lastwagen hinein.“ Was das bedeutet, erklärt der deutsche Physiker Matthias Junker: „Wer die kleinsten Teilchen fangen will“, sagt er, „braucht die größten Apparate. Anders geht’s nicht.“ Junker steht in einer der hundert Meter langen und 20 Meter breiten Röhren vor einem beinahe raumfüllenden Würfel aus 150 000 Bleiquadern. Ein Greifroboter surrt auf und ab, pickt sich da einen Bleiklotz heraus und dort. „Ich weiß nicht“, sagt Junker, „ob’s Zufall war oder Planung, auf jeden Fall ist diese Laborröhre exakt auf das Cern-Labor und dessen Beschleuniger in Genf ausgerichtet.“ Fakt ist: Das Cern produziert Schwärme von Neutrinos, schickt sie unter der Erde Richtung Gran Sasso, und dort versucht der Bleiwürfel namens „Opera“ sie aufzufangen.

„Die 1400 Meter Dolomitfels über uns schirmen praktisch die ganze kosmische Strahlung ab, wir haben sozusagen nur mehr Neutrinos um uns herum“, sagt Junker. Von den dutzenden Milliarden Neutrinos, die das Cern jeden Tag auf die Reise schickt, bleiben pro Jahr höchstens eine Handvoll in den mit Fotopapier durchsetzten Bleiziegeln des Gran Sasso hängen. Kürzlich jedoch hat „Opera“ das erste Neutrino ertappt, das sich im Lauf der Reise verändert hat. Dass das möglich ist, hatten Forscher schon vermutet. Denn es gelangen wesentlich weniger Sonnenneutrinos zur Erde und unter den Gran Sasso, als physikalisch zu erwarten wäre. Sie könnten sich auf ihrem Weg durch die Welt eine andere „Farbe“ zugelegt, ihre Teilchenfamilie gewechselt haben und sich damit dem Nachweis entziehen, so die Vermutung. Praktisch bewiesen wurde dieser Wechsel von einem Myon- zu einem Tau-Neutrino erst jetzt. Damit aber steht fest, dass das Standardmodell der Teilchenphysik zur Welterklärung nicht mehr ausreicht. Denn „oszillieren“, verändern, können sich Neutrinos nur, wenn sie eine Masse haben. Und das passt so gar nicht in die konventionellen Atommodelle.

Noch weiter gehen „Gerda“ und „Cuore“ in der nächsten Tunnelröhre. Diese Experimente untersuchen Neutrinos, die „von innen“ kommen, also aus dem sogenannten Beta-Zerfall radioaktiver Atomkerne. Dabei, so die bisherige Lehre, entstehen ein Elektron oder sein Antiteilchen, das Positron, und eben ein Neutrino. „Gerda“ und „Cuore“ sollen prüfen, ob es nicht auch einen „neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall“ gibt. Dessen Nachweis würde bedeuten, dass das Neutrino kein Antiteilchen hätte, sondern sein eigenes Antiteilchen wäre. Das wäre der nächste Verstoß gegen das Standardmodell und ein Beitrag zur Antwort auf die klassische Frage: „Warum ist in der Welt etwas und nicht vielmehr nichts?“

In der dritten Röhre schließlich soll „Xenon“ etwas aufspüren, das sich eigentlich gar nicht aufspüren lässt: die sogenannte „dunkle Materie“ aus der 95 Prozent des Weltalls bestehen soll. Das sei ein „sehr spekulatives Experiment“, räumt selbst Junker ein. Denn mit der „normalen“ Materie tritt die dunkle nicht in Kontakt. Mit „Xenon“ hofft die weltweite Forschergemeinde, dass sie’s doch tut – und wenn’s nur mit einem Teilchen pro Jahr ist.

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