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Präszisionsmassenmessung liefert Grundlage für neue Neutrinoexperimente

08.02.2011
Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik haben am GSI-Helmholtzzentrum in Darmstadt mittels einer präzisen Massenmessung an Gadolinium-152 einen neuen Wert für die Wahrscheinlichkeit eines seltenen neutrinolosen radioaktiven Zerfallsprozesses in diesem Isotop bestimmt. Durch resonante Verstärkung ist hier die Wahrscheinlichkeit gegenüber anderen Nukliden um mehrere Zehnerpotenzen erhöht.

Damit ist Gadolinium-152 ein vielversprechender Kandidat zur Klärung der Frage, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist, was weitreichende Konsequenzen für die Teilchenphysik und die Kosmologie hat.


Abb. 1. Illustration des Doppeleinfangs zweier Elektronen (blau) durch zwei Protonen (rot), woraus zwei Neutronen (grau) hervorgehen. (a) \"Normaler\" Doppeleinfang unter Aussendung zweier Neutrinos (hellgrau). (b) Neutrinoloser Doppeleinfang: Das Neutrino aus einem der beiden Protonen wird als Antineutrino wieder eingefangen und verschmilzt mit dem zweiten Elektron und dem anderen Proton zu einem weiteren Neutron.
Grafik: MPI für Kernphysik


Abb. 2. Energieschema für den Zerfall von Gadolinium-152 durch neutrinolosen Doppeleinfang. Der Endzustand von Samarium-152 ist in dessen Atomhülle doppelt angeregt, da die zwei Elektronen in den unteren Schalen nach dem Einfang fehlen (Anregungsenergie B2h). Der alte Wert für die Energiedifferenz Qee zwischen Mutter- und Tochternuklid ergab eine leicht negative Zerfallsenergie Delta = Qee - B2h, war aber zugleich sehr ungenau (Fehlerbalken links). Die neue Messung für Qee liefert einen wesentlich präziseren, positiven(!) aber recht kleinen Delta-Wert, so dass der Doppeleinfang nicht nur möglich ist sondern resonant verstärkt auftreten sollte, sofern das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist.
Grafik: MPI für Kernphysik

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 theoretische Verständnis hierzu ist mit den Eigenschaften von Neutrinos verbunden, jenen elektrisch neutralen Teilchen, die mit der übrigen Materie nur sehr schwach wechselwirken und diese nahezu ungehindert durchdringen.

Man weiß auch, dass es drei Sorten von Neutrinos gibt, die eine - wenn auch sehr kleine - voneinander verschiedene Masse besitzen, was unter anderem zur Folge hat, dass sie sich ineinander umwandeln können (so genannte Neutrino-Oszillationen). Unbekannt sind aber noch die absoluten Werte der Neutrinomassen und die Frage, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Teilchen mit dieser Eigenschaft nennt man Majorana-Fermionen, benannt nach dem italienischen Physiker Ettore Majorana, der nicht nur durch seine Beiträge zur theoretischen Teilchenphysik, sondern auch durch sein mysteriöses Verschwinden im Jahr 1938 in die Geschichte einging. Ein solches Teilchen muss elektrisch neutral sein, denn das jeweilige Antiteilchen trüge anderenfalls die entgegengesetzte Ladung und wäre dadurch unterscheidbar. Wegen der grundsätzlichen Konsequenzen der Majorana-Eigenschaft für die Teilchenphysik und Kosmologie, welche sich in der Astroteilchenphysik begegnen, unternehmen Forscher große Anstrengungen, um diese experimentell zu testen.

Ein möglicher Nachweis wäre die Beobachtung des neutrinolosen Doppel-Betazerfalls, wonach seit kurzem im GERDA-Experiment im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor unter Beteiligung des MPIK für Kernphysik gesucht wird. Hier zerfallen normalerweise zugleich zwei Neutronen eines Germanium-Atomkerns in zwei Protonen unter Aussendung zweier Elektronen und zweier Antineutrinos. Als Majorana-Fermion kann aber das Antineutrino aus dem Zerfall des einen Neutrons als Neutrino von dem anderen Neutron gleich wieder verschluckt werden, so dass nur die beiden Elektronen beobachtet würden. Ein solcher neutrinoloser Prozess ist sehr unwahrscheinlich und es bedarf eines großen experimentellen Aufwandes, um ihn überhaupt aus der Fülle von Hintergrundereignissen zu isolieren.

Es gibt noch einen weiteren Zerfallsprozess, bei welchem umgekehrt zwei Elektronen aus der Atomhülle von zwei Protonen des Kerns quasi verschluckt werden, welche sich dabei in zwei Neutronen umwandeln und zwei Neutrinos aussenden (Abb. 1a). Die Forscher sprechen hier vom Doppeleinfang und hätte das Neutrino die Majorana-Eigenschaft, wäre auch der neutrinolose Doppeleinfang möglich (Abb. 1b). Die schlechte Nachricht ist aber, dass ein solcher Zerfall noch wesentlich unwahrscheinlicher wäre als der oben erwähnte neutrinolose Doppelbetazerfall und somit sein Nachweis praktisch aussichtslos – mit einer Ausnahme, auf die Forscher am CERN bereits in den 1980er Jahren hinwiesen: Wenn die Zerfallsenergie, also die Energiedifferenz zwischen Anfangs- und Endzustand dieses Kernprozesses sehr klein ist, so erfolgt eine resonante Verstärkung um viele Zehnerpotenzen. Resonanzen sind uns aus der Musik geläufig und der Instrumentenbauer wie der geübte Sänger nutzt sie, um einen tragfähigen Klang zu erzeugen. Mit Hilfe eines Resonanzeffekts, so hoffen die Physiker, könnte quasi auch der praktisch unhörbar leise Ton des neutrinolosen Doppeleinfangs im lauten Konzert der Materie nachweisbar werden. Wie aber misst man nun Energiedifferenzen so genau, dass man über diese Möglichkeit eine Aussage machen kann? Hier hilft den Forschern um Klaus Blaum und Sergey Eliseev die von Einstein formulierte Äquivalenz von Masse und Energie – ausgedrückt in der berühmten Formel E = mc^2. Im Prinzip brauchen sie nur Mutter- und Tochternuklid des in Frage kommenden Prozesses auf die Waage zu legen. In diesem Fall war es das Gadolinium-Isotop mit der Massenzahl 152 (Gd-152), welches über Doppeleinfang neutrinolos in das Samarium-Isotop Sm-152 zerfallen könnte (Abb. 2). Dies funktioniert aber nur, wenn bei dem Zerfall überhaupt Energie frei wird und selbst hierüber gaben bisherige Messungen keine zuverlässige Auskunft. Für die Zerfallsenergie Delta ergab sich ein kleiner negativer Wert, aber mit einem Fehler, der fast 20mal so groß war. Somit war praktisch alles möglich – dass der Zerfall gar nicht stattfindet (negatives Delta) oder mehr oder weniger resonant verläuft, wobei zwischen „mehr“ und „weniger“ innerhalb der Unsicherheit noch fast 5 Zehnerpotenzen lagen. Für jemanden, der eine solches Experiment zum Test der Majorana-Eigenschaft planen möchte, bei weitem zu viel!

Die Gruppe von Klaus Blaum hat nun in Kooperation mit Forschern von der Universität Heidelberg und acht weiteren Instituten an der SHIPTRAP-Apparatur des GSI-Helmholtzzentrums in Darmstadt die Massen von Gd-152 und Sm-152 mit bisher nicht erreichter Präzision bestimmt. Hierzu wurde die kreisende Bewegung einfach geladener Gd- bzw. Sm-Ionen im Magnetfeld einer speziellen Ionenfalle vermessen und aus der daraus gewonnenen Massendifferenz auf die gesuchte Energiedifferenz Qee zwischen Mutter- und Tochternuklid geschlossen. Unterstützt wurde die Arbeit von theoretischen Rechnungen zur Bindungsenergie der Elektronen B2h und der Energieunschärfe des Endzustands, um einen aussagekräftigen Wert für die Wahrscheinlichkeit des neutrinolosen Doppeleinfangs zu gewinnen. Als Zerfallsenergie Delta = Qee - B2h ergab sich ein eindeutig positiver Wert mit einer Ungenauigkeit von ca. 20%. Die daraus resultierende resonante Verstärkung gegenüber dem Zerfall des Eisen-Isotops Fe-54 als Bezugspunkt beträgt fast sieben Zehnerpotenzen. Mit der Größenordnung von 10 hoch 26 Jahren ist die berechnete Halbwertszeit die kürzeste unter den bekannten neutrinolosen Einfangprozessen und damit erweist sich Gadolinium-152 zumindest als vielversprechender Kandidat für zukünftige Untersuchungen.

Originalveröffentlichung:

S. Eliseev et al.
Resonant enhancement of neutrinoless double-electron capture in 152Gd
Physical Review Letters 106, 052504 (2011)
(doi:10.1103/PhysRevLett.106.052504)
Kontakt:
Dr. Sergey Eliseev
Telefon: +49 6221 516-670
E-Mail: sergey.eliseev (at) mpi-hd.mpg.de
Prof. Dr. Klaus Blaum
Direktor der Abteilung gespeicherte und gekühlte Ionen
Telefon: +49 6221 486-850
Fax: +49 6221 486-852
E-Mail: klaus.blaum (at) mpi-hd.mpg.de
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de/blaum/index.de.html
Abteilung Blaum am MPIK
http://www.gsi.de/forschung/ap/projects/shiptrap/index.html
SHIPTRAP-Apparatur (GSI Darmstadt)
http://www.gsi.de/portrait/presse/Pressemeldungen/08022011.html
Pressemeldung der GSI Darmstadt
http://www.uni-greifswald.de/informieren/pressestelle/wissenschaft-und-oeffentlichkeit/wissenschaftsjahr/wissenschaftsjahr-2011/physiker-in-der-schwerionenforschung.html
Pressemeldung der Universität Greifswald

Dr. Bernold Feuerstein | idw
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de

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