Die endgültigen Ergebnisse des STEREO-Experiments widerlegen die Hypothese steriler Neutrinos

Nach mehreren Betriebsjahren veröffentlichte die STEREO-Kollaboration die Endergebnisse ihrer Antineutrino-Studien. Mit ihren Daten schlossen die Forscher Hinweise auf die Existenz steriler Neutrinos aus, einem in vielen Theorien erwarteten zusätzlichen Neutrinozustand. Das Ergebnis, das in der Ausgabe vom 11. Januar erscheint Naturhat wichtige Implikationen für viele Bereiche der Grundlagenphysik.

In der modernen Teilchenphysik werden alle bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen im sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben. Das Modell beinhaltet Neutrinos, Teilchen, die 1930 von Wolfgang Pauli erfunden wurden, um die universellen Energieerhaltungssätze einzuhalten. Neutrinos sind sehr leicht, elektrisch neutral und interagieren nur über die elektroschwache Kraft. Daher sind sie extrem schwer zu erkennen. Ein direkter experimenteller Nachweis erfolgte erst 1956.

Heute sind drei verschiedene Arten von Neutrinos bekannt. Diese Neutrinos können aufgrund ihrer sehr kleinen, aber von Null verschiedenen Masse ihre Identität zwischen diesen verschiedenen Zuständen ändern. Diese sogenannten Neutrino-Oszillationen wurden vor etwa zwei Jahrzehnten festgestellt.

Im Jahr 2011 führte eine erhöhte Präzision zu einer Anomalie zwischen dem beobachteten und dem vorhergesagten Antineutrino-Fluss, der von Kernreaktoren emittiert wird. Dies löste die Hypothese der Existenz eines zusätzlichen Neutrinozustands aus, der steril wäre, dh nicht über die schwache Wechselwirkung wechselwirken würde. Dieses Teilchen könnte möglicherweise auch noch nicht vollständig verstandene physikalische Phänomene wie Dunkle Materie erklären.

Um diese Hypothese steriler Neutrinos eindeutig zu testen und ihre Eigenschaften zu bestimmen, wurde das STEREO-Experiment konzipiert und 2017 am High-Flux-Kernforschungsreaktor des ILL Grenoble in Betrieb genommen. Ein aus sechs identischen Elementen bestehender Detektor wurde nur 10 Meter vom Reaktorkern entfernt platziert.

Das Projekt profitierte von den Erfahrungen aus mehreren Generationen von Reaktor-Neutrino-Experimenten. Abgeschirmt von der äußeren Umgebung waren die Zellen des Detektors ideal positioniert, um mit beispielloser Präzision nach der Signatur steriler Neutrinos zu suchen: Positionsabhängige Verzerrungen in ihrer Energieverteilung sollten in geringer Entfernung vom Reaktor auftreten.

Jetzt die STEREO-Kollaboration, bestehend aus Forschern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, Deutschland und den französischen Instituten CEA Saclay, CNRS, den Universitäten Grenoble Alpes und Savoie Mont Blanc sowie dem Institut Laue-Langevin (ILL) veröffentlichten ihre neuesten Ergebnisse, die den gesamten Datensatz kombinieren: Die Physiker bestätigten eine Anomalie im Neutrinofluss, der von Kernreaktoren emittiert wird, aber sterile Neutrinos sind nicht die Ursache dafür.

„Wir konnten in den Jahren 2017 bis 2020 insgesamt mehr als 100.000 Neutrinos beobachten, konnten aber innerhalb dieser Messungen keine Spur potenzieller steriler Neutrinos feststellen“, erklärt Christian Buck, einer der leitenden Forscher des Experiments vom MPIK . „Höchstwahrscheinlich resultieren die beobachteten Anomalien eher aus unterschätzten Unsicherheiten in den Nukleardaten der radioaktiven Zerfälle, die für die Flussvorhersage verwendet werden, als aus den Neutrino-Experimenten selbst.“

Während dieses Ergebnis die sterile Neutrino-Hypothese ziemlich stark widerlegt, dient es als weitere Unterstützung des Standardmodells und seines Neutrino-Gehalts.

Neben der Suche nach sterilen Neutrinos liefert das STEREO-Experiment auch die bisher genaueste Messung des Antineutrino-Spektrums aus der Spaltung von Uran-235. Es soll als Referenzspektrum für zukünftige Hochpräzisions-Reaktorexperimente dienen, wie etwa die Bestimmung der Massenhierarchie von Neutrinos oder die Niederenergietests des Standardmodells. Zudem könnten solche Präzisionsmessungen helfen, die Phänomene beispielsweise bei einem Reaktorstillstand besser zu verstehen.

Sowohl beim Bau des STEREO-Detektors als auch bei der Auswertung der Daten leisteten die Forscher am MPIK wesentliche Beiträge. So wurden beispielsweise die ganz speziellen Flüssigkeiten im Detektor am MPIK entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Insbesondere der mit Gadolinium beladene Flüssigszintillator, der das Herzstück des Detektors bildet, stammt vom MPIK.

Einen weiteren entscheidenden Beitrag leisten die ganz speziellen Füllsysteme und die Lichtsensoren zur Messung der Lichtsignale nach der Neutrino-Reaktion im Detektor. Im Bereich Analytik war die MPIK-Gruppe in der energetischen Rekonstruktion, Wirkungsgradbestimmung und Analysenkoordination tätig.