Neutrinos und Antineutrinos schwingen anders

T2K Experiment liefert mögliche Erkenntnisse zu den Gründen der Materie-Antimaterie-Asymmetrie

In der Klärung der Entstehung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie hat die Untersuchung von Neutrinos und Antineutrinos seit mehreren Jahren an Bedeutung gewonnen. Im Tokai to Kamioka Experiment konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei der Untersuchung der Oszillation von Neutrinos und Antineutrinos erstmals Unterschiede feststellen, die das Verschwinden der Antimaterie beim Urknall erklären könnten.

„Warum ist nicht nichts?“ Eine Frage, die der Inhalt von so manchem literarischen Werk ist. Doch auch wenn die Frage den Anschein erweckt rein in die Welt der Philosophie zu gehören – was früher sicherlich auch der Fall war – beschäftigt sie in Wahrheit viele Physiker. Denn, warum haben sich Materie und Antimaterie beim Urknall nicht gegenseitig zur Strahlung zerstört? Wie entstand der Überhang an Materie und somit das Universum, wie wir es kennen?

Auf der Suche nach Antworten, um die Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu erklären, forschen rund 500 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 11 Nationen gemeinsam am T2K-Experiment (Tokai to Kamioka) in Japan. Das T2K-Experiment ist ein Long-Baseline-Neutrino-Oszillations-Experiment. In einer Distanz von 295 Kilometern befinden sich zwei Forschungseinrichtungen, an denen die Untersuchungen durchgeführt werden. Der Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) in Tokai beherbergt gleich zwei Neutronensynchrotrone, in Kamioka steht der Super-Kamiokande-Detektor. Im Fokus des Experiments stehen Neutrinos und Antineutrinos und deren Oszillation.

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr geringer Wechselwirkungswahrscheinlichkeit. Es gibt drei Neutrinogenerationen: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Ein Neutrino kann in eine andere Generation (Flavour genannt) oszillieren. Antineutrinos sind die Antiteilchen der Neutrinos.

In einem ersten Schritt wurden im J-PARC Myon-Neutrinos erzeugt und auf die Reise zu dem Detektor in Kamioka geschickt. Die Forscherinnen und Forscher konnten 2013 feststellen, dass einige der Neutrinos, die in Kamioka aufgezeichnet wurden, Elektron-Neutrinos waren, obwohl dieser Neutrino-Flavour nicht in Tokai erzeugt wurde. Bis zu diesem Zeitpunkt konnte die Oszillation von Myon- zu Elektron-Neutrinos noch nicht beobachtet werden.

Seit 2014 untersuchen die Forscherinnen und Forscher auch die Oszillation von Antineutrinos auf ihrem Weg von Tokai nach Kamioka. Ziel ist es Unterschiede zwischen der Oszillation von Neutrinos und ihren Antiteilchen zu identifizieren. In diesem Jahr gelang es nun erstmals einen solchen Unterschied, auch CP-Verletzung genannt, zu messen. Diese CP-Verletzung könnte einen Anhaltspunkt geben, wie die Materie-Antimaterie-Asymmetrie nach dem Urknall entstanden sein könnte.

An den Untersuchungen wirkte die Arbeitsgruppe von Dr. Stefan Roth maßgeblich mit. Angesiedelt ist die Arbeitsgruppe an dem durch JARA-FAME Mitglied Prof. Achim Stahl geleiteten III. Physikalisches Institut B.

Weitere Informationen zu den neuen Erkenntnissen stehen auf der Website der RWTH Aachen und auf dem Internetauftritt des T2K-Experiments zur Verfügung.


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