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Von China zum Südpol: Gemeinsam das Neutrino-Massen-Rätsel lösen

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Eines der interessantesten Probleme der modernen Physik ist die Bestimmung der Neutrino-Massenordnung. Physiker des PRISMA + -Exzellenzclusters der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) spielen eine führende Rolle in einer neuen Studie, die zeigt, dass das Rätsel der Ordnung der Neutrinomasse in den nächsten Jahren endlich gelöst werden kann.Dies wird dank der gemeinsamen Durchführung von zwei neuen Neutrino-Experimenten geschehen, die derzeit in der Entwicklungsmodernisierung des IceCube-Experiments am Südpol und des Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in China durchgeführt werden. Bald werden sie Physikern Zugang zu viel empfindlicheren und komplementäreren Daten über die Neutrino-Massenordnung geben.

Neutrinos sind Chamäleons unter Elementarteilchen.


Neutrinos werden aus natürlichen Quellen - zum Beispiel im Darm der Sonne oder anderen astronomischen Objekten - sowie in großen Mengen von Kernkraftwerken produziert. Sie können jedoch fast ungehindert durch gewöhnliche Materie - wie den menschlichen Körper - gelangen, ohne eine Spur ihrer Anwesenheit zu hinterlassen. Dies bedeutet, dass äußerst komplexe Methoden erforderlich sind, bei denen massive Detektoren verwendet werden müssen, um zufällige seltene Reaktionen zu beobachten, an denen diese "Geisterpartikel" beteiligt sind.

Es gibt drei verschiedene Arten von Neutrinos: elektronische, myonische und Tau-Neutrinos. Sie können von Typ zu Typ unterschiedlich sein, und Wissenschaftler nennen dieses Phänomen „Neutrinooszillationen“. Die Masse der Partikel kann durch Beobachtung der Schwingungsmuster bestimmt werden. Seit vielen Jahren versuchen Physiker herauszufinden, welche der drei Arten von Neutrinos die leichteste und welche die schwerste ist. Professor Michael Wurm, Physiker im PRISMA + -Exzellenzcluster, der eine wichtige Rolle bei der Durchführung des JUNO-Experiments in China spielt, erklärt: „Wir glauben, dass die Antwort auf diese Frage einen wesentlichen Beitrag leisten und es uns ermöglichen wird, langfristige Daten über die Verletzung der Symmetrie von Materie und Antimaterie zu sammeln Neutrino-Sektor. Dann hoffen wir, anhand dieser Daten ein für alle Mal herauszufinden, warum Materie und Antimaterie sich nach dem Urknall nicht vollständig zerstört haben. “

Globale Zusammenarbeit ist rentabel


Beide groß angelegten Experimente verwenden sehr unterschiedliche und komplementäre Methoden, um das Rätsel der Ordnung der Neutrinomasse zu lösen. „Der naheliegende Ansatz besteht darin, die erwarteten Ergebnisse beider Experimente zu kombinieren“, sagt Professor Sebastian Bezer vom PRISMA + -Cluster, ebenfalls Neutrino-Forscher und einer der Hauptteilnehmer am IceCube-Experiment.

Gesagt, getan. In der Zeitschrift Physical Review D veröffentlichten Forscher von IceCube und der JUNO-Kollaboration eine gemeinsame Analyse ihrer Experimente. Hierzu modellierten die Autoren die vorhergesagten experimentellen Daten in Abhängigkeit von der Messzeit für jedes Experiment. Die Ergebnisse variieren in Abhängigkeit davon, ob die Neutrinomassen in der normalen oder umgekehrten (invertierten) Reihenfolge vorliegen. Anschließend führten die Physiker einen statistischen Test durch, bei dem sie eine kombinierte Analyse auf die simulierten Ergebnisse beider Experimente anwendeten. Dies zeigte den Grad der Empfindlichkeit, mit dem beide Experimente in Kombination die richtige Reihenfolge vorhersagen oder vielmehr die falsche Reihenfolge beseitigen konnten. Da die beobachteten Schwingungsmuster in JUNO und IceCube von der tatsächlichen Ordnung der Neutrinomasse in einer für jedes Experiment spezifischen Weise abhängen,Der kombinierte Test hat eine Unterscheidungsfähigkeit, die signifikant höher ist als die einzelnen experimentellen Ergebnisse. Somit wird diese Kombination schließlich die falsche Reihenfolge der Neutrinomasse während des Messzeitraums von drei bis sieben Jahren beseitigen.

„In diesem Fall ist das Ganze wirklich größer als die Summe seiner Teile“, schließt Sebastian Bezer. "Hier haben wir klare Beweise für die Wirksamkeit des komplementären experimentellen Ansatzes bei der Lösung der verbleibenden Neutrino-Rätsel." „Kein Experiment kann dies alleine erreichen, sei es ein Update von IceCube, JUNO oder einem anderen der derzeit gestarteten“, fügt Michael Wurm hinzu. "Außerdem zeigt es nur, was Physiker durch Zusammenarbeit erreichen können."

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