Das Standardmodell der Teilchenphysik ist seit seinen Anfängen nahezu unverändert gültig.Widersprüche zwischen Theorie und Experiment haben sich bislang nur bei Neutrinos gezeigt.Die Neutrino-Oszillation war dabei die erste Beobachtung, die nicht mit den Vorhersagen übereinstimmte. Sie beweist, dass Neutrinos im Widerspruch zum Standardmodell eine Masse ungleich Null haben. 2015 wurde diese Entdeckung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Hinzu kommt die Vermutung, dass Neutrinos so genannte Majorana-Teilchen sind: Anders als alle anderen Bausteine der Materie könnten sie ihre eigenen Antiteilchen sein. Dies würde auch eine Erklärüng dafür liefern, warum es im Universum so viel mehr Materie als Antimaterie gibt.

Zur Überprüfung der Majorana-Vermutung sucht die GERDA-Kollaboration nach dem bisher nicht beobachteten neutrinolosen doppelten Betazerfall im Germanium-Isotop ⁷⁶Ge: Dabei wandeln sich zwei Neutronen in einem ⁷⁶Ge-Kern gleichzeitig in zwei Protonen um, wobei zwei Elektronen emittiert werden. Dieser Zerfall ist im  Standardmodell verboten, da die beiden Antineutrinos – die ausgleichende Antimaterie – fehlen.

GERDA ist das erste Experiment auf dem Gebiet, das den störenden Untergrund soweit reduzieren konnte, dass der gesuchte neutrinolose doppelte Betazerfall, sofern er existiert, eine Halbwertszeit von mindestens 10²⁶ Jahren haben muss, das ist das 10'000'000'000'000'000-fache des Alters des Universums.

Die Physiker wissen, dass Neutrinos mindestens hunderttausendmal mal leichter sind als Elektronen, die nächstschwereren Teilchen. Welche Masse sie genau haben, ist allerdings noch unbekannt und ein weiteres wichtiges Forschungsthema.

Interessanterweise korrespondiert die Halbwertszeit des neutrinolosen doppelten
Betazerfalls mit einer speziellen Variante der Neutrino-Masse, der Majorana-Masse.
Kombiniert man das neue GERDA-Ergebnis mit denjenigen anderer Doppel-Beta-
Zerfallsexperimente, so muss diese Masse sogar mindestens eine Million mal kleiner sein als die des Elektrons. Physikalisch ausgedrückt läge die Masse bei unter 0,07– 0,16 eV/c² ₍₁₎.

Auch andere Experimente grenzen Neutrino-Massen ein: Die jüngste Analyse der Planck-Mission kommt für die Summe der Massen der drei Neutrino-Arten auf unter 0,12 – 0,66 eV/c². Das Tritiumzerfallsexperiment KATRIN am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird in den kommenden Jahren die Masse des Elektron-Neutrinos mit einer Empfindlichkeit von ca. 0,2 eV/c² bestimmen. Die Werte können zwar nicht direkt verglichen werden, sie erlauben es aber, die unterschiedlichen Modelle zu überprüfen. Bislang gibt es keine Widersprüche.

Die nun vorgestellten Beobachtungen wurden mit einer Detektormasse von 35,6 kg ⁷⁶Ge gemacht. Eine neue internationale Zusammenarbeit unter dem Namen LEGEND wird nun die Detektormasse bis 2021 auf 200 kg ⁷⁶Ge erhöhen und die Störungen so weit reduzieren, dass nach fünf Jahren eine Empfindlichkeit von 10²⁷ Jahren erreicht ist.

Publikation:
The GERDA collaboration: Probing Majorana neutrinos with double beta decay, Science 2019, online published on Thursday 5 September, 2019 DOI: 10.1126/science/xxxx

Mehr Informationen
GERDA ist eine internationale europäische Kooperation von mehr als 100 Physikern aus Belgien, Deutschland, Italien, Russland, Polen und der Schweiz. 

(1) Massen werden in der Teilchenphysik statt in Kilogramm entsprechend der Einsteinschen Gleichung E=m*c² in Elektronenvolt [eV] (als Einheit für die Energie)/Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat angegeben, da der Zahlenwert sonst unvorstellbar klein würde: 1 eV/c² entspricht 1,8 x 10^-37 Kilogramm.

Kontakt:
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Tel.: +49 351 463 42250
E-Mail: zuber@physik.tu-dresden.de

Max-Planck-Institute für Kernphysik, Heidelberg
Prof. Dr. Werner Hoffmann
Tel.: +49 6221 516 330
E-Mail: Werner.Hofmann@mpi-hd.mpg.de
Prof. Dr. Manfred Lindner
Tel.: +49 6221 516 800
E-Mail: lindner@mpi-hd.mpg.de

Max-Planck-Institut für Physik, München
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Technische Universität München
Prof. Dr. Stefan Schönert
Tel.: +49 89 289 12511
E-Mail: schoenert@ph.tum.de

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E-Mail: Josef.Jochum@uni-tuebingen.de

Universität Zürich
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