Robert Klatt
Der FASER-Detektor am Large Hadron Collider (LHC) des Forschungszentrums CERN hat erstmals Neutrinos in einem Teilchenbeschleuniger nachgewiesen. Die Erforschung dieser energiereichen Neutrinos soll unter anderem Erklärungen zur rätselhaften dunklen Materie und zur Antimaterie liefern.
Genf (Schweiz). Neutrinos sind laut dem Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) unter Leitung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) 500.000-mal leichter als ein Elektron. Die extrem leichten Elementarteilchen wechselwirken kaum mit Materie und werden auch als Geisterteilchen bezeichnet. Sie entstehen bei energiereichen kosmischen Ereignissen, in der Sonne und bei radioaktiven Zerfallsprozessen.
In der Physik geht man davon aus, dass besonders energiereichen Neutrinos dabei helfen können, Rätsel der Antimaterie oder der Dunklen Materie zu lösen. Um die Elementarteilchen erforschen zu können, versuchen deshalb Wissenschaftler weltweit diese mit speziellen Neutrino-Detektoren einzufangen. Die energiereichsten Neutrinos werden von den Detektoren aber nur selten nachgewiesen.
Neutrinos aus Teilchenbeschleunigern könnten dieses Problem lösen. Die theoretischen Standardmodelle gehen davon aus, dass bei energiereichen Kollisionen im Large Hadron Collider (LHC) der European Organization for Nuclear Research (CERN) und anderen Teilchenbeschleunigern große Mengen an Neutrinos und Antineutrinos entstehen. Weil diese energiereichen Elementarteilchen parallel zum Teilchenstrahl fliegen, konnten gängige Detektoren in Teilchenbeschleunigern bisher keine Neutrinos nachweisen. Verantwortlich dafür ist eine Aussparung, die existiert, damit sich der Teilchenstrahl ungehindert bewegen kann.
„Dadurch sind diese Beschleuniger-Detektoren blind für den enormen Fluss der Hochenergie-Neutrinos, die das Strahlrohr entlang rasen.“
Am LHC des CERN wurde deshalb im Frühling 2021 das ForwArd Search ExpeRiment (FASER-Detektor) installiert. Es handelt sich dabei um einen Detektor in einem Seitentunnel des Teilchenbeschleunigers, der sich in einer Verlängerung der Strahlachse hinter dem ATLAS-Detektor befindet. Kollidieren dort schwach wechselwirkende Teilchen, können diese geradeaus weiterfliegen und landen direkt im FASER-Detektor.
Ein internationales Team aus Wissenschaftlern am CERN unter Beteiligung der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn hat nun mit dem FASER-Detektor erstmals Neutrinos in einem Teilchenbeschleuniger nachgewiesen. Die Analyse der zwischen Juli und November 2022 erfolgten Protonenkollisionen zeigt, dass 153 der Milliarden Neutrinos, die in diesem Zeitraum den FASER-Detektor passiert haben, messbare Spuren hinterlassen haben.
„Schon nach kurzer Laufzeit hat FASER damit ein beeindruckendes Ergebnis geliefert.“
Die Platten des FASER-Detektors bestehen aus dem schweren Element Wolfram. Obwohl von den Neutrinos nur eine schwache Wechselwirkungen mit Materie ausgeht, kam es im Detektor zu Kollisionen mit den Wolframatomen. Dabei entstanden Myonen als Sekundärteilchen, die das Spektrometer des FASER-Detektors erkannt hat.
„Die von FASER entdeckten Neutrinos sind die energiereichsten, die jemals in einem Labor erzeugt wurden.“
Die Elementarteilchen aus dem LHC können dabei helfen, die energiereichen Neutrinos genauer zu erforschen.
„Sie können uns etwas über den Weltraum verraten, was wir auf andere Weise nicht erfahren können. Neben Neutrinos, die im Standardmodell der Teilchenphysik vorkommen, wollen wir damit hauptsächlich solche Teilchen suchen, die über das Standardmodell hinausgehen – allen voran die mysteriöse dunkle Materie.“
