Winzlinge im Kosmos |
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18.10.2011 12:30 Uhr |
Von Hannelore Gießen, München / Auf die Frage, wie das Universum entstanden ist, gibt es bis heute noch keine vollständige Antwort. Neue Experimente, die Astrophysiker kürzlich in München diskutierten, haben jedoch wieder einen winzigen Teil zum Riesenpuzzle beigetragen.
Das heute allgemein anerkannte Standardmodell der Physik beschreibt die Grundbausteine, aus denen alle Materie aufgebaut ist, und die Kräfte, die dabei wirken. Doch das Modell hat Lücken. So kann es nicht vollständig erklären, weshalb es das Universum und die Welt mit ihren Bewohnern überhaupt gibt. Schließlich formten sich nach dem Urknall gleich viel Materie und Antimaterie. Jedes Elementarteilchen hat einen Zwillingsbruder mit entgegengesetzter Ladung: Zum negativ geladenen Elektron gehört das Positron, zum positiv geladenen Proton das negative Antiproton, und so gilt es auch für alle anderen Teilchen. Berühren sich Teilchen und Antiteilchen, zerstrahlen sie augenblicklich zu reiner Energie.
Heute gibt es im Universum keine Antimaterie mehr – außer in Teilchenbeschleunigern, wo sie in großen Mengen erzeugt werden. Eine winzige Asymmetrie muss also gleich nach dem Urknall dafür gesorgt haben, dass am Ende der Konfrontation von Materie und Antimaterie ein kleiner Rest Materie übrigblieb, der heute unser Universum darstellt. Diese Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie ist eines der noch offenen Fragen der Physik. Einen Beitrag zur Lösung des Rätsels könnten Neutrinos liefern, die im Mittelpunkt der Konferenz »Topics on Astroparticle and Underground Physics (TAUP)« Anfang September in München standen. Geisterteilchen nannte sie Wolfgang Pauli, der ihre Existenz 1930 postulierte und auch den Begriff »Neutrino« prägte. Doch 26 Jahre vergingen, ehe sich seine Vorhersage bestätigte und die Existenz der Neutrinos 1956 experimentell nachgewiesen wurde. Der Grund für die lange vergebliche Suche: Neutrinos interagieren nur über eine schwache Wechselwirkung mit anderen Materieteilchen, und die ist 1013 mal schwächer als die starke Wechselwirkung, die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält.
Kleine Masse, großer Einfluss
Inzwischen gilt als sicher, dass die Geisterteilchen über Masse verfügen, wenn auch in beinahe verschwindendem Maße. Neutrinos treten in drei Arten auf. Das gilt heute als gesichert, so dass sie sich im Rahmen des Standardmodells jeweils einer der drei Teilchenfamilien zuordnen lassen. Frei durch den Raum fliegende Neutrinos einer bestimmten Familie, beispielsweise das Elektron-Neutrino, können sich spontan in ein Neutrino von anderer Familienzugehörigkeit verwandeln, das Myon-Neutrino oder das Tau-Neutrino. Von einer Oszillation spricht man, weil das Neutrino auf seinem Flug von einer Familie zur anderen hin und her wechseln kann.
Die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Neutrino-Familien hängen von verschiedenen Eigenschaften der drei Neutrinoarten ab. Während zwei schon gut charakterisiert sind, ist die dritte derzeit Gegenstand der Forschung.
Signale aus dem Reaktor
Bei der TAUP-Konferenz in München wurde ein neues Experiment vorgestellt, das Wissenschaftler in der Nähe des französischen Atomkraftwerks Chooz gestartet haben. Dort wollen sie den Eigenschaften der Neutrinos, von der die Übergänge von einer Familie in die nächste abhängen, möglichst genau auf die Spur kommen.
Da Neutrinos – im Gegensatz zu den elektrisch geladenen Bausteinen der Materie – gleichzeitig ihre eigenen Antiteilchen bilden, wurde eine reiche Neutrino-Quelle erschlossen: Antineutrinos, die bei Spaltprozessen in einem Atomkraftwerk in rauen Mengen erzeugt und emittiert werden. Sollte das Experiment gelingen, könnte wohl auch geklärt werden, ob Neutrinos für den minimalen Überschuss von Materie gegenüber Antimaterie im frühen Universum mit verantwortlich waren. Ohne diese Asymmetrie hätte sich alle Materie kurz nach der Geburt des Universums in Strahlung verwandelt. Es gäbe keine Galaxien, keine Sterne und Planeten, keine Pflanzen und Tiere und niemanden, der den Neutrinoeigenschaften auf der Spur ist. /
