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FORSCHUNG/778: Präszisionsmassenmessung liefert Grundlage für neue Neutrinoexperimente (idw)


Technische Universität Dresden - 21.02.2011

Präszisionsmassenmessung liefert Grundlage für neue Neutrinoexperimente

Resonanzverstärkung könnte extrem seltenen neutrinolosen Kernprozess beobachtbar machen


Forscher des Technischen Universität Dresden haben am GSI-Helmholtzzentrum in Darmstadt mittels einer präzisen Massenmessung an dem Isotop Gadolinium-152 einen neuen Wert für die Wahrscheinlichkeit eines seltenen neutrinolosen radioaktiven Zerfallsprozesses für dieses 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.

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.

Es gibt noch einen sehr seltenen Zerfallsprozess, bei dem 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. Der experimentelle Nachweis dieses Zerfalls ist 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 Prof. Kai Zuber, Physiker an der TU Dresden, die von Einstein formulierte Äquivalenz von Masse und Energie - ausgedrückt in der berühmten Formel E = mc2. 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. Dies funktioniert aber nur, wenn bei dem Zerfall überhaupt Energie frei wird und selbst hierüber gaben bisherige Messungen keine zuverlässige Auskunft. Für die Zerfallsenergie 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 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 Prof. Kai Zuber hat nun in Kooperation mit Forschern des Max-Planck Instituts für Kernphysik und acht weiteren Instituten an der SHIPTRAP-Apparatur des GSI-Helmholtzzentrums in Darmstadt die Massen der beiden Isotope 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 zwischen Mutter- und Tochternuklid geschlossen. Unterstützt wurde die Arbeit von theoretischen Rechnungen zur Bindungsenergie der Elektronen und der Energieunschärfe des Endzustands, um einen aussagekräftigen Wert für die Wahrscheinlichkeit des neutrinolosen Doppeleinfangs zu gewinnen. Als Zerfallsenergie 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 1026 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, C. Roux, K. Blaum, M. Block, C. Droese, F. Herfurth, H.-J. Kluge, M.I. Krivoruchenko, Yu.N. Novikov, E. Minaya Ramirez, L. Schweikhard, V.M. Shabaev, F. Simkovic, I.I. Tupitsyn, K. Zuber, and N.A. Zubova
Resonant enhancement of neutrinoless double-electron capture in 152Gd
Physical Review Letters 106, 052504 (2011)

Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung unter:
http://idw-online.de/de/institution143


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Quelle:
Informationsdienst Wissenschaft e. V. - idw - Pressemitteilung
Technische Universität Dresden, Birgit Berg, 21.02.2011
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E-Mail: service@idw-online.de


veröffentlicht im Schattenblick zum 23. Februar 2011