Erfolgreiche Suche nach Atomkernen, mit denen Neutrinos erforscht werden können

Messung von Atomkern-Massen mit höchster Präzision bei GSI

10.02.2011 - Deutschland

Mit der Ionenfalle Shiptrap haben Wissenschaftler bei GSI mit höchster Präzision die Massenunterschiede bestimmter Atomkerne gemessen, die für einen sehr seltenen radioaktiven Zerfallsprozess in Frage kommen. Somit konnten sie mit dem Isotop Gadolinium-152 den bislang am besten geeigneten Atomkern bestimmen, um durch seinen Zerfall in anderen zukünftigen Experimenten, neue Erkenntnisse über Neutrinos zu gewinnen.

Eine der Grundfragen der Kosmologie ist warum es nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie gab, so dass außer bloßer Strahlung überhaupt etwas übrig geblieben ist, um Galaxien, Sterne, Planetensysteme, Lebewesen und schließlich unsere eigene Existenz zu ermöglichen. Das Verständnis hierzu ist mit den Eigenschaften von Neutrinos verbunden. Neutrinos sind Elementarteilchen, die auch als Geisterteilchen bezeichnet werden, da sie nur extrem schwach mit der uns bekannten „gewöhnlichen“ Materie in Wechselwirkung treten und diese nahezu ungehindert durchdringen. Dementsprechend sind noch viele Eigenschaften von Neutrinos unbekannt.

So wird zum Beispiel vermutet, dass ein Neutrino sein eigenes Antiteilchen sein könnte (sog. Majorana-Fermion), ein noch niemals beobachtetes Phänomen. Neutrinos entstehen natürlicherweise in bestimmten radioaktiven Zerfällen von Atomkernen. Beim radioaktiven Zerfall wandelt sich ein Atomkern, der Mutterkern, in einen anderen, den Tochterkern, um. Ein möglicher Nachweis, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist, wäre die Beobachtung einer bestimmten radioaktiven Zerfallsart, des so genannten neutrinolosen Doppel-Elektroneneinfangs. Bei diesem sehr seltenen Zerfallsprozess werden zwei Elektronen aus der Hülle von Protonen im Atomkern eingefangen und es entstehen normalerweise zwei Neutrinos. Wenn nun das Neutrino mit seinem Antiteilchen identisch wäre, würde kein Neutrino ausgesendet werden, deshalb die Bezeichnung neutrinolos.

Dieser neutrinolose Zerfallsprozess ist allerdings experimentell, wenn überhaupt, nur nachweisbar, wenn die Masse des Mutterkerns zwar größer ist als die des Tochterkerns, sich dabei aber so gering wie möglich unterscheidet. Um auch noch geringste Massenunterschiede messen zu können, benutzten Wissenschaftler die Ionenfalle Shiptrap. Mit Shiptrap können die Wissenschaftler Massen mit höchster Genauigkeit messen. Mit der Genauigkeit könnten sie theoretisch nachweisen, ob in einem voll beladenen Jumbo-Jet ein Passagier eine 1 Euro Münze im Portemonnaie hat oder nicht.

Mit Shiptrap untersuchten die Wissenschaftler nun systematisch die Massen von möglichen Atomkernen, um den besten Kandidaten für den neutrinolosen Doppel-Elektroneneinfang zu bestimmen. Sie fanden heraus, dass das Gadolinium-Isotop mit der Massenzahl 152 (Gadolinium-152), welches in das Isotop Samarium-152 zerfällt, der zurzeit vielversprechendste Kandidat ist. Es ist somit das geeignete Isotop, um in zukünftigen Neutrino-Experimentaufbauten wie zum Beispiel in Gran Sasso untersucht zu werden mit dem Ziel, bei dessen Zerfall erstmalig die Vernichtung zweier Neutrinos nachzuweisen.

Über die Messung der Halbswertszeit von Gadolinium-152, die im Bereich von 10 hoch 26 Jahren liegt, ließen sich auch Grenzen für die Masse der Neutrinos bestimmen. Erst seit kurzem ist bekannt, dass Neutrinos überhaupt eine Masse haben, die allerdings sehr klein ist und noch nie direkt gemessen werden konnte. Der Ansatz über den Zerfall von Gadolinium-152 Informationen über die Masse der Neutrinos zu erhalten, ist komplementär zu anderen Experimentaufbauten in der Helmholtz-Gemeinschaft wie Katrin am KIT in Karlsruhe.

An den Experimenten bei GSI waren unter Federführung des Max-Planck-Instituts in Heidelberg 17 Wissenschaftler aus 11 Instituten beteiligt: Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Greifswald, Institute for Theoretical and Experimental Physics Moskau Russland, PNPI Gatchina, St. Petersburg, Russland, Helmholtz-Institut Mainz, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, St. Petersburg State University, Russland, Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russland, Comenius University Bratislava, Slowakei, Technische Universität Dresden.