Sind Neutrinos tatsächlich ihre eigenen Antiteilchen? Mit dem künftigen LEGEND-Experiment wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehr über diese auch als "Majorana-Natur" bezeichnete Eigenschaft des Neutrinos herausfinden. LEGEND ist aus den früheren Experimenten GERDA und Majorana hervorgegangen.
Nach heutigem Erkenntnisstand gibt es zu jedem geladenen Spin 1/2-Teilchen ein Antiteilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung: Anti-Quarks und Anti-Leptonen (Positron, Anti-Myon und Anti-Tau). Da die entsprechenden Neutrinos elektrisch neutral sind, könnten sie hier aus der Reihe tanzen und ihre eigenen Antiteilchen sein. Sollte sich das im Experiment bestätigen, ergäben sich neue Ansatzpunkte, um die Physik des Universums besser zu verstehen.
Wie können Wissenschaftler herausfinden, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind?
Sie suchen nach einem ganz speziellen und nur dann möglichen seltenen Zerfall: Beim neutrinolosen doppelten Betazerfall wandeln sich zwei Neutronen in zwei Protonen und zwei Elektronen um. Beim normalen Doppelbetazerfall werden auch zwei Neutrinos freigesetzt. Aber diese werden beim neutrinolosen Zerfall intern ausgetauscht. Das funktioniert aber nur, wenn
Neutrinos und ihre Antineutrinos identisch sind
und eine Masse haben.
Die Rolle von Germanium-76
Zwei Germaniumdetektoren mit einer Masse von jeweils ca. 1 Kilogramm (Foto: B. Schwingenheuer/GERDA Collaboration)
Um den neutrinolosen doppelten Betazerfall nachzuweisen, nutzt das LEGEND-Experiment Detektoren aus Germanium-76. Dieses besondere Element ist zumindest theoretisch in der Lage, diesen Zerfall zu produzieren – und damit die vermutete „Doppelnatur“ des Neutrinos zu belegen. Dabei ist Germanium-76 nicht nur die Quelle des Zerfalls, sondern auch das Material, aus dem der Detektor besteht, mit dem der Zerfall nachgewiesen werden könnte.
In der ersten Phase planen die beteiligten Forschungsgruppen, mit LEGEND 200 ein Experiment mit 200 Kilogramm Detektormaterial im Gran Sasso-Untergrundlabor (LNGS) zu betreiben. Das Experiment soll 2022 mit der Datennahme beginnen. In der zweiten Phase soll ein Experiment basierend auf 1.000 Kilogramm an Germaniumdetektoren aufgebaut werden. Ort und Zeitplan werden noch diskutiert.
Abschirmung gegen störende Strahlung
Selbst wenn es neutrinolosen doppelten Betazerfall gibt, handelt es sich um ein extrem seltenes Phänomen. In Gegenwart der normalen natürlichen radioaktiven Strahlung könnte er nie nachgewiesen werden, weil sie Untergrundereignisse erzeugt, die aussehen wie Signalereignisse, aber keine sind.
Deswegen müssen Experimente, die nach neutrinolosem doppelten Betazerfall suchen, extrem gut gegen die Radioaktivität der Umwelt abgeschirmt sein. Untergrundereignisse entstehen aber auch durch Radioaktivität in den Materialien, die im Experiment selber verwendet werden und durch Materie durchdringende kosmische Strahlung.
Um den Einfluss der kosmischen Strahlung zu minimieren, führen Wissenschaftler die Experimente sehr tief unter der Erde durch. LEGEND 200 wird daher im Gran Sasso-Untergrundlabor in Italien aufgebaut, wo 1,4 Kilometer Berggestein das Experiment gegen kosmische Strahlung aus dem All abschirmen.
LEGEND 200 benutzt weitgehend die Infrastruktur des erfolgreichen GERDA Experiments, das die weltweit geringste Untergrundrate erreichte. Die Germaniumdetektoren befinden sich in einem mit flüssigem Argon gefüllten Tank aus speziellem Stahl mit sehr niedriger Strahlungsrate. Dieser Behälter wiederum ist in einen mit hochreinem Wasser gefüllten Tank von zehn Metern Durchmessern eingelassen – was zusätzlichen Schutz bietet. Zudem werden Myonen mit speziellen Detektoren nachgewiesen, so dass eventuell von ihnen ausgelöste Signale herausgefiltert werden können.
Schematischer Aufbau des künftigen LEGEND-Experiments (Bild: LEGEND Collaboration)
Forschung für LEGEND
An LEGEND sind mehr als 30 Forschungseinrichtungen aus fast zehn Ländern beteiligt. Die Gruppe am Max-Planck-Institut für Physik beschäftigt sich mit der Optimierung der Germanium-Detektoren (GeDET). Weitere Projekte sind die Untersuchung von Neutronen als Störquelle (MINIDEX), sowie die Entwicklung und Implementierung neuartiger optisch aktiver Bauelemente aus Kunststoff, die bereits bei LEGEND 200 eingebaut werden (PEN).
GeDet befasst sich mit der technischen Weiterentwicklung und Verbesserung von Germaniumdetektoren (GeDet). Ziel dabei ist es, Untergrundereignisse künftig besser zu erkennen. (Foto: I. Abt/MPP)
Neutronen sind eine Quelle für schwer erkennbare Untergrundereignisse. Das Projekt MINIDEX wird die Erzeugung von Neutronen aus der Wechselwirkung kosmischer Myonen untersuchen. (Foto: I. Abt/MPP)
Das Ziel des PEN-Projekts ist es, ein Meldesystem (Veto) für radioaktive Untergrundstrahlung zu entwickeln. Zugleich soll das dafür verwendete Material die Germaniumdetektoren schützen und umhüllen. (Foto: F. Fischer/MPP)
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