Neutrino, das Teilchen mit zwei Massen

Radioaktivität ist prinzipiell zufällig, nicht deterministisch. Wann ein Atomkern zerfällt, kann durch nichts vorausgesagt werden. Man kennt nur die Wahrscheinlichkeit, mit der er nach einer bestimmten Zeit zerfallen ist, und die ist konstant. (Darum sinkt die Menge der nicht zerfallenen Atome in einer Probe exponentiell mit der Zeit.)

Das sagt uns die Quantenphysik, und zwar mit Bestimmtheit. Umso überraschender ist, was ein Team von Physikern, darunter Paul Kienle (Stefan-Meyer-Institut, Österreichische Akademie der Wissenschaften), am Teilchenbeschleuniger in Darmstadt gemessen haben: Zwei radioaktive Atome zerfallen mit einer Wahrscheinlichkeit, die nicht konstant ist, sondern mit der Zeit oszilliert (Physics Letters B, 664, S.162).

Elektron + Proton = Neutron + Neutrino

Gemessen wurde das an bei hochenergetischen Atom-Zertrümmerungen entstandenen Ionen der „Seltene-Erden“-Elemente Praseodym (Ordnungszahl 59) und Promethium (61): 140Pr58+ und 142Pm60+ (von 59 bzw. 61 Elektronen fehlen 58 bzw. 60). Das sind ganz extreme Ionen: Solche, die alle ihre Elektronen verloren haben bis auf eines, man nennt sie „wasserstoffähnlich“, denn der Wasserstoff hat ja auch nur ein Elektron.

Das eine, einsame Elektron ist nun relativ nahe am Kern: So kann es von ihm eingefangen werden. Dann passiert, was man Elektronen-Einfang-Zerfall nennt, eine Sonderform des radioaktiven Beta-Zerfalls: Aus einem Proton und einem Elektron wird ein Neutron, und ein Neutrino wird emittiert.

Die Teilchen, die fast nichts merken

Neutrinos sind Teilchen, die man, obwohl man sie seit 1959 kennt, mit Recht rätselhaft nennen darf. Poetische Naturen sagen sogar „geisterhaft“: Denn Neutrinos durchdringen die Erde leichter als ein Messer die Butter, sie kennen keine elektromagnetische Wechselwirkung, auch die starke Kernkraft ist ihnen völlig egal; sie unterliegen nur der schwachen Wechselwirkung, die u.a. den radioaktiven Zerfall regiert. Der vierten Grundkraft, der Gravitation, unterliegen sie auch, aber nur ganz wenig: Sie haben eine Masse, aber eine sehr kleine, weniger als ein Millionstel der Masse eines Elektrons, und das ist ja auch nicht gerade schwer.

Genau diese Mini-Masse soll jetzt an den beobachteten Oszillationen schuld sein. Die Physiker meinen nämlich, dass ein Neutrino nicht eine Masse hat, sondern zwei Massen, zwischen denen es oszillieren kann, wie ein Mensch, der in periodischen Abständen Diät hält. In der Sprache der Quantenphysik: Ein Neutrino ist in einer Überlagerung zweier Massen-Eigenzustände. Und wenn es sich bewegt, dann kann es zwischen diesen beiden Zuständen oszillieren und damit zwischen zwei Energien. Als „klassisches Analogon“ nennt Kienle die Überlagerung zweier Radiowellen mit leicht verschiedenen Frequenzen, bei der eine Schwebung entsteht, deren Frequenz die halbe Differenz der überlagerten Frequenzen ist.

Kienle weiß, dass das, was er und seine Kollegen den Neutrinos zuschreiben, „eine ganz verrückte Eigenschaft“ ist, aber sie haben keine andere Erklärung. Vor allem eine Alternative (die für Nicht-Physiker auch recht seltsam klingt) schließen sie aus: Dass sich das (Elektron-)Neutrino beim Elektron-Einfang-Zerfall in die beiden anderen Sorten („Flavours“) von Neutrinos verwandelt, die die Physik kennt: in Myon- oder Tau-Neutrinos, die andere, größere Massen haben.

Der Flavour stimmt

Solche Umwandlungen zwischen den „Flavours“ kommen laut gängiger Lehre vor, sogar auf der Reise von Neutrinos von der Sonne zur Erde; beim Zerfall seien sie aber auszuschließen, sagt Kienle: „Es entsteht ein Neutrino mit eindeutigem Flavour, das ist klar.“ Auch könne man aus der Oszillation der Zerfallswahrscheinlichkeiten die Differenz zwischen den beiden Neutrino-Massen ausrechnen, und die klinge vernünftig.

Klar ist auch, dass weitere Experimente folgen müssen, um die These zu untermauern. Wenn sie hält, dann verändert sie unser Weltbild. Denn laut aktueller Kosmologie machen die Neutrinos einen beträchtlichen Anteil der Masse des Universums aus.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 23.07.2008)