Mit Neutrinos dem Rätsel der fehlenden Antimaterie auf der Spur

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Blick in das Kamioka Observatory. Copyright: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Blick in das Kamioka Observatory.
Copyright: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Aachen (Deutschland) – Einem internationalen Team der „T2K-Kollaboration“ aus über 500 Physikerinnen und Physikern von 60 Universitäten und Forschungsinstituten ist es im Rahmen des „T2K-Experiments in Japan gelungen, mit Hilfe von Neutrinos einen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie nachzuweisen. Die Ergebnisse können dabei helfen, zu erklären, warum im Universum die Materie gegenüber der Antimaterie dominiert.

Wie das Team der T2K-Kollaboration aktuell im Fachjournal „Nature“ (DOI: 10.1038/s41586-020-2177-0) berichtet, zeigen die Messungen, dass sich Neutrinos und Antineutrinos in ihrem Verhalten unterscheiden – und genau dies könnte ein Problem in unserem Verständnis des Universums lösen: „Das Universum sollte zu gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie bestehen, die beide im Urknall vor etwa 14 Milliarden Jahren erzeugt wurden. Allerdings ist Antimaterie im Universum kaum zu finden.“

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Um dieses Rätsel zu lösen, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun einen physikalischen Prozess untersucht, in dem die sonst herrschende Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie eine der beiden Seiten bevorzugt und damit das Fehlen der Antimaterie erklären kann. „Die dabei eingesetzten Neutrinos sind die am häufigsten vorkommenden Elementarteilchen im Universum, aber die noch immer am wenigsten verstandenen“, erläutert die Pressemitteilung der an den Experimenten beteiligten Universität Aachen und führt dazu weiter aus: „Dies liegt daran, dass diese Teilchen kaum messbar sind. So können sie beispielsweise die ganze Erde ungestört durchfliegen, ohne ein einziges Mal mit Materie zu wechselwirken.“

Hintergrund
Neutrinos sind Elementarteilchen, die fast ohne Wechselwirkung durch die Materie reisen und existieren als drei verschiedene Typen: als Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos und als deren jeweilige Antiteilchen (den Antineutrinos) – können sich aber durch die sogenannte Neutrino-Oszillation in eine der beiden anderen Neutrinosorten umwandeln. Pro Sekunde rasen unbemerkt Billionen von Neutrinos durch unseren Körper, treffen auf die Erdoberfläche und durchdringen alles auf dem und den Planeten selbst nahezu ungehindert – also ohne, mit Materie wechselzuwirken. Neutrinos entstehen durch radioaktive Zerfälle in der Sonne und allen anderen Sternen und in Folge anderer kosmischer Ereignisse wie etwa in natürlichen kosmischen Teilchenbeschleunigern wie Sternenexplosionen (Supernovae) und den Materiestrudeln gigantischer Schwarzer Löcher gemeinsam mit den elektrisch geladenen Atomkernen der kosmischen Teilchenstrahlung. Anders als diese Atomkerne werden die elektrisch neutralen Neutrinos auf ihrem Weg durchs All aber nicht von kosmischen Magnetfeldern abgelenkt, so dass ihre Ankunftsrichtung direkt zu ihrer Quelle zurückweist. In ihren Experimenten haben die T2K-Forscher nun untersucht, ob Oszillation bei Neutrinos und Anti-Neutrinos anders verläuft.

Neutrinos und Antineutrinos, die im Forschungszentrum J-PARC in Tokai an der japanischen Ostküste als sehr intensiver Neutrinostrahl erzeugt werden, durchqueren Japan bis einige von ihnen nach 300 Kilometern in dem 50.000 Tonnen schweren Detektor Super-Kamiokande in einem Kilometer Tiefe unterhalb des Ortes Kamioka nachgewiesen werden. Dies erklärt den Namen des Experiments „Tokai-to-Kamioka“, kurz „T2K“.

Die Beobachtungen zeigen nun, dass die Umwandlung von einem in einen anderen Neutrino-Typ häufiger bei Neutrinos als bei Antineutrinos zu beobachten ist. Die Stärke dieses Effekts wird durch die Verletzung der fundamentalen Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie bestimmt.

Nach neun Jahren Betrieb weisen die Daten nun erstmals die Verletzung der Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie mit 95 prozentiger Sicherheit nach. Weitere Messungen in den kommenden Jahren sollen dieses Ergebnis bestätigen.

“Dieses Ergebnis bringt uns der Antwort auf eine der grundlegenden Fragen der Physik und darüber, warum die Materie in unserem Universum existiert näher als je zuvor“, erläutert Dr. Patrick Dunne vom Imperial College in London. “Sollten sich unsere Messungen weiter bestätigen, hätte das grundlegende Auswirkungen für die Physik und könnte neue Wege zu einem besseren Verständnis darüber führen, wie unser Universum entstand und sich seither entwickelt hat.“

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Quellen: T2K-Kollaboration, Universität Aachen, Imperial College London

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