Physiker, die am MicroBooNE-Experiment arbeiten, haben die Existenz einer vierten Art von Neutrino – eines hypothetischen „sterilen“ Neutrinos – mit 95-prozentiger Sicherheit endgültig ausgeschlossen. Dieser Befund schließt ein wichtiges Kapitel der Teilchenphysik ab und eliminiert eine der Haupterklärungen für Anomalien, die in früheren Neutrino-Experimenten beobachtet wurden.
Was sind Neutrinos und warum sind sie wichtig?
Neutrinos sind fundamentale subatomare Teilchen, die für ihre schwer fassbare Natur bekannt sind. Im Gegensatz zu den meisten Materien interagieren sie so schwach, dass sie ganze Planeten durchdringen können, ohne mit einem einzelnen Atom zu kollidieren. Das Standardmodell der Teilchenphysik, die derzeit beste Beschreibung der Bausteine des Universums, sagt nur drei Arten voraus: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Es ist bekannt, dass diese Teilchen oszillieren – sich von einer Art in eine andere verwandeln – aber einige frühere Experimente zeigten ein Verhalten, das nicht ganz zu diesem Modell passte.
Die Sterile-Neutrino-Hypothese
Um diese Diskrepanzen zu erklären, schlugen Physiker die Existenz eines vierten „sterilen“ Neutrinos vor. Im Gegensatz zu den anderen interagierte es überhaupt nicht mit Materie außer durch die Schwerkraft, was es unglaublich schwer macht, es zu entdecken. Die Idee fand Anklang, weil sie möglicherweise die in früheren Experimenten beobachteten unerklärlichen Schwankungen auflösen könnte.
Die jahrzehntelange Suche von MicroBooNE
Die MicroBooNE-Kollaboration verbrachte zehn Jahre damit, Daten von zwei verschiedenen Neutrinostrahlen zu sammeln und zu analysieren. Sie maßen akribisch, wie Neutrinos oszillieren, und suchten nach Anzeichen des schwer fassbaren sterilen Teilchens. Das Ergebnis? Keine Beweise. Die in Nature veröffentlichten Erkenntnisse des Teams widerlegen diese beliebte Erklärung für anomales Verhalten von Neutrinos effektiv.
„Dieses Ergebnis ist ein Wendepunkt“, sagte Dr. Andrew Mastbaum von der Rutgers University, ein leitender Forscher des Projekts. „Wir können einen großen Verdächtigen ausschließen, aber das löst das Rätsel noch nicht ganz.“
Was bedeutet das für die Physik?
Die Eliminierung des sterilen Neutrinos bedeutet nicht, dass das Standardmodell perfekt ist. Es gelingt immer noch nicht, Phänomene wie dunkle Materie, dunkle Energie und Schwerkraft zu erklären. Allerdings schränkt das MicroBooNE-Ergebnis die Suche nach Physik über das Standardmodell hinaus ein. Indem Wissenschaftler eine Möglichkeit ausschließen, können sie sich nun auf andere mögliche Erklärungen konzentrieren.
Dies liefert auch wertvolle Erkenntnisse für zukünftige Experimente, einschließlich des bevorstehenden Deep Underground Neutrino Experiments (DUNE). Die von MicroBooNE verfeinerten Techniken werden bei der Beantwortung grundlegenderer Fragen zur Zusammensetzung und zum Verhalten des Universums von entscheidender Bedeutung sein.
Im Wesentlichen geht die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells weiter, nun mit einer Sackgasse weniger, die es zu erkunden gilt. Das Universum bleibt voller Geheimnisse, aber diese Entdeckung stellt einen bedeutenden Schritt zur Lösung dieser Geheimnisse dar.
MicroBooNE-Zusammenarbeit. 2025. Suche nach leichten sterilen Neutrinos mit zwei Neutrinostrahlen bei MicroBooNE. Natur 648, 64-69; doi: 10.1038/s41586-025-09757-7
