Dunkle Materie, Teil 7: Ist der neutrinolose doppelte Beta-Zerfall der gesuchte Königsweg?

Dunkle Materie, Teil 7: Ist der neutrinolose doppelte Beta-Zerfall der gesuchte Königsweg?

 

Dieser letzte blogpost zu Dunkler Materie beschäftigt sich mit der Möglichkeit, dass es sich dabei um ein schweres, rechtshändiges Neutrino/ Antineutrino handeln könnte, sowie der Schwierigkei bzw. Unmöglichkeit eines direkten und den Möglichkeiten eines indirekten Nachweises. Voraussetzungen zum Verständnis sind die beiden letzten blogposts, die sich mit dem seesaw Mechanismus und dem Bruch der CP-Symmetrie bei der Neutrino-Oszillation beschäftigen.

Wir haben bereits gesehen, dass es linkshändige und rechtshändige Neutrinos gibt, bzw. geben sollte. Damit ist die sog. Helizität gemeint, die ihren Drehsinn beschreibt. Sie entstehen z.B. bei ß-Zerfällen zusammen mit den Leptonen (Elektron, Myon, Tauon) gleichen Drehsinns. Linkshändige Neutrinos haben einen Helizitätswert von H = -1, rechtshändige von H = +1.

Sehr wichtig ist nun, dass es zwei Modelle für die Helizität von Neutrinos gibt: Dirac Neutrinos und Majorana Neutrinos. Erstere gehen auf den brtischen Physiker Paul Dirac zurück, der 1928 die Existenz von Antiteilchen forderte, die 1932 dann in Form des Positrons tatsächlich gefunden wurden, vom Physiker Carl Anderson.

Dirac Neutrinos wie auch Dirac Antineutrinos können jeweils zwei Helizitätszustände annehmen: linkshändge Neutrinos und rechtshändige Antineutrinos sowie rechtshändige Neutrinos und linkshändige Antineutrinos. Letztere würden eine massive Paritätsverletzung des Standardmodells bedeuten und können daher nicht vorkommen und sind auch nie gefunden worden.

Im Fall der Majorana Neutrinos sind Neutrino und Antineutrino identisch – bis auf die Helizität. Dies ist der einzige Unterschied. Zwischen beiden Modellen –Dirac und Majorana- konnte bisher nicht unterschieden werden. Sie werden z.T. sogar gemeinsam angewandt, was nicht sehr befriedigend ist. Auf Grund des Seesaw Mechanismus (vgl. Teil 6 des Blogs) ordnet man jedem leichten, linkshändigen Majorana Neutrino ein schweres rechtshändiges Majorana Neutrino zu, deren Massen einander umgekehrt proportional sind. Das rechtshändige Majorana Neutrino ist dabei so schwer, dass bisher noch kein collider die dafür notwendige Energie aufbringen kann. So steht sein experimentellet Nachweis noch aus.

 

Er würde auch auf Grund einer anderen Eigenschaft kaum möglich sein. Die einzige Kraft von den vier fundamentalen Kräften, die Neutrinos „spüren“, ist die schwache Kernkraft. Diese wirkt jedoch nur auf linkshändige Teilchen. Damit gibt es für rechtshändige, schwere Neutrinos keinerlei Wechselwirkung mit einer der bekannten, fundamentalen Kräfte. Die ultimative Eigenschaft, die einen direkten Nachweis rechtshändiger Neutrinos verhindert, ist seine grosse Masse. Nach allem, was wir über Teilchenphysik wissen, kann es nicht stabil sein. Es müsste in leichtere Teilchen zerfallen.

Dies heisst jedoch nicht, dass ein indirekter Nachweis nicht möglich wäre. Viele schwere Teilchen wie Quarks oder das Higgs-Boson wurden in collidern über ihre Zerfallsprodukte oder auch über die mit dem Zerfall verknüpfte Energiebilanz nachgewiesen. Theoretisch sollte das auch für das rechtshändige Neutrino möglich sein – aber wie?

Der weisse Ritter am Horizont heisst Neutrinoloser doppelter Beta (ß) Zerfall! Beim „normalen“ doppelten ß-Zerfall zerfällt ein Atomkern in einen anderen plus 2 Elektronen und 2 Antineutrinos. Dies bedeutet, dass das Verhältnis von Materie und Antimaterie ausgeglichen ist, womit auch die Erhaltung der Leptonenzahl gewährleistet ist. Der Prozess ist damit mit dem Standardmodell kompatibel.

Wären aber Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen-also Majorana Neutrinos-, dann ist es denkbar, dass sich die beiden emittierten Antineutrinos innerhalb des Kerns gegenseitig vernichten, da eines als Neutrino fungiert. Es würden also keine Antineutrinos emittiert – ein neutrinoloser doppelter Beta Zerfall (physikalisch symbolisiert durch das Kürzel ‚0νßß‘). Damit hätte sich die Leptonenzahl um 2 verringert, wird also nicht konserviert und verletzt damit das Standardmodell.

Weitere theoretische Überlegungen und ihre komplexen Folgen würden den Rahmen dieses blogposts sprengen. Die Botschaft jedoch ist klar: Gelänge der Nachweis eines neutrinolosen doppelten Beta Zerfalls wäre damit bewiesen, dass es sich bei Neutrinos um Majorana Neutrinos handelt, die ihr eigenes Antiteilchen sind. Dies wäre gleichzeitig eine Erweiterung des Standardmodells sowie eine erste Erklärung für den Überschuss von Materie  über Antimaterie im gesamten Universum. Es gäbe also unter speziellen Umständen Verletzungen der Erhaltung der Leptonenzahl.

 

 

Dies fällt ebenso unter die Kategorie“Symmetriebruch“ wie der in den vorhergehenden blogposts besprochene Zerfall des K-Mesons oder der CP-Symmetriebruch bei der Neutrino Oszillation. In beiden Fällen entstehen ebenfalls ungleiche Mengen von Materie und entsprechender Antimaterie. Die Natur lässt also unter bestimmten Bedingungen solche Prozesse zu. Damit ist das Tor zu einer Erweiterung des Standardmodells, wenn nicht sogar zu einer neuen Physik schon ziemlich weit aufgestossen

Zurück zur Dunklen Materie, die in diesem blogpost ein wenig aus dem Blick geraten ist. Aber nur kurz, denn das bisher Gesagte bereitet den Weg für eine möglicherweise ganz neue Sichtweise auf ihre Natur. Zentral hierbei ist die  Bestätigung der Existenz von neutrinolosen doppelten ß-Zerfällen oder eben ein Ausschluss derselben durch entspechende „wasserdichte“ experimentelle Studien von überzeugender statistischer Signifikanz und Reproduzierbarkeit.  Es überrascht daher nicht, dass sich inzwischen zahlreiche Arbeitsgruppen mit verschiedenen Ansätzen um die Lösung dieses Jahrhundertproblems bemühen. Die ersten Antworten sind vielleicht schon in naher Zukunft zu erwarten.

Sollte sich die Möglichkeit der neutrinolosen doppelten ß-Zerfälle bestätigen, wäre damit gezeigt, dass- wie oben schon erwähnt- das Modell der Majorana Neutrinos das korrekte ist. Das Neutrino wäre sein eigenes Antiteilchen. Unter Einbeziehung des see-saw Mechanismus kann sowohl die Existenz (der uns bekannten) linkshändigen, leichten Neutrinos wie auf der anderen Seite auch die der (noch nicht nachgewiesenen) rechtshändigen, massiven Neutrinos erklärt werden. Letztere wären ein in mehrfacher Hinsicht ideal passender Kandidat für Dunkle Materie.

Wir haben weiter oben erwähnt, dass die schweren, rechtshändigen Neutrinos bzw. Antineutrinos möglicherweise unmittelbar nach dem Urknall aus einem noch schwereren Vorläuferteilchen durch Symmetriebruch entstanden sind. Ihre hier diskutierten Eigenschaften, vor allem eine Verletzung des Erhalts der Leptonenzahl beim doppelten ß-Zerfall oder der CP-Symmetriebruch bei ihrer Oszillation könnten der Schlüssel zur Präferenz von Materie über Antimaterie im Universum (Baryon-Asymmetrie) wie auch für die Identifizierumg von Dunkler Materie als schwere, rechtshändige Neutrinos/Antneutrinos sein.

Ich möchte das Thema Dunkle Materie und die sieben blogposts hierzu mit einer Frage abschliessen, die ich schon in Teil 5 zitiert habe:  Könnte es sein, dass alle durch das Standardmodell nicht erklärbaren Phänomene miteinander zusammenhängen und auf eine gemeinsame Ursache zurückgehen? Wir haben jetzt eine tentative Antwort hierauf: ein vorsichtiges Ja. Es könnte sein, dass diese gemeinsame Ursache das schwere rechtshändige Neutrino/Antineutrino mit all seinen hier diskutierten Eigenschaften ist.

Zur Zeit ist ein wahrhaft gigantisches Experiment mit Namen DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) in den U.S.A. im Aufbau, das uns entsprechende Erkenntnisse liefern sollte.  Ein Neutrinostrahl soll vom Fermilab in Illinois über 1300 km bis nach Sanford, South Dakota geschossen werde. Untersuchungsziel ist die dabei auftretende Neutrino-Oszillation und Bestimmmung der gefundenen Neutrinomassen. Der Detektor in Sanford besteht aus 4 Riesentanks gefüllt mit 68000 Tonnen flüssigen Argons von -184°C, der Kollisionen mit Elektronen entdeckt. Vgl. das Beitragsbild.

 

Headerbild: Spinnenetzstruktur des Universums; Würfel mit Kantenlänge 1 Milliarde Lichtjahre; Bolshoi Simulation. Credit: NASA, ESA and E. Hallman, University of Colorado; Boulder

Beitragsbild:   DUNE Experiment. Dieses internationale Grossexperiment ist im Aufbau. Es soll ein Neutrinostrahl vom Fermilab in Illinois über 1300 km in 1,5 km Tiefe durch die Erdkruste bis zur Sanford Underground Research Facility in South Dakota geschossen werden. Credit: Fermilab

Verantwortlich: Peter H. Jacobi (Autor von „Cosmoblog. Kosmologie: Über die Grundlagen zur Spitzenforschung von heute und morgen“; K.Fischer Verlag, September 2017)

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