Das Ende einer langen wissenschaftlichen Kontroverse: Amerikanische Forscher bestätigen KARMEN-Ergebnis

Von besonderem Interesse waren die Ergebnisse des US-Experiments für die Neutrinoforscher am Institut für Kernphysik des Forschungszentrums Karlsruhe, die von 1997 bis 2001 mit dem KARMEN-Experiment am ISIS-Beschleuniger in England, ebenso wie jetzt die amerikanischen Forscher, auf der Suche nach Neutrino-Oszillationen waren. Während in einem Vorläufer-Experiment von MiniBooNE, dem LSND-Experiment am Los Alamos Beschleuniger, ein Signal für Neutrino-Oszillationen gefunden wurde, fanden die Karlsruher Neutrinophysiker am ISIS-Beschleuniger keinen Hinweis auf derartige Prozesse.

Welches Experiment, KARMEN oder LSND, hatte nun Recht? MiniBooNE sollte diese Frage definitiv klären. Vor wenigen Tagen wurde der Schleier gelüftet und die „Neutrino-Box“ bei MiniBooNE geöffnet. Das Ergebnis war eindeutig: die Neutrino-Box war leer – genau wie nach den KARMEN-Ergebnissen zu erwarten!

Neutrinos spielen eine besondere Rolle in der Astroteilchenphysik: ihre Masse ist viel kleiner als die aller anderen Elementarteilchen und ihre Wechselwirkung mit normaler Materie ist extrem gering, da sie nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen.

Aus diesen Eigenschaften resultiert die Tatsache, dass sich die drei verschiedenen Neutrinosorten (elektronische, myonische und tauonische Neutrinos) ineinander umwandeln können. So kann zum Beispiel ein myonisches Neutrino auf seinem Weg von der Quelle zum Detektor in ein elektronisches Neutrino oszillieren. Der Nachweis dieser Umwandlungsprozesse ist extrem schwierig, daher konnten erst 1998 derartige Neutrino-Oszillationen durch Experimente mit atmosphärischen Neutrinos zweifelsfrei nachgewiesen werden, ebenso wie 2001 mit solaren Neutrinos.

Kurz vor diesen wissenschaftlichen Durchbrüchen veröffentlichten die Wissenschaftler des LSND-Experiments (Liquid Scintillator Neutrino Detector) in Los Alamos im Jahre 1995 eine Aufsehen erregende Evidenz für Oszillationen zwischen myonischen und elektronischen Antineutrinos, die Eingang fand in die Titelseite der New York Times. Das einzige Experiment, das dieses Resultat überprüfen konnte, war das KARMEN-Experiment (Karlsruhe Rutherford Mittelenergie Neutrino-Experiment). KARMEN wurde von 1990 bis 2001 an der Spallations-Neutronenquelle ISIS am Rutherford-Appleton Laboratory in der Nähe von Oxford unter der Federführung des Instituts für Kernphysik des Forschungszentrums Karlsruhe betrieben.

Die beiden sehr ähnlichen Experimente nutzten zur Suche nach Oszillationen myonische Antineutrinos aus den Zerfällen gestoppter Myonen. Bei LSND lag ein Vorteil im intensiven Beschleuniger (LAMPF), die Trümpfe bei KARMEN bildeten der hochauflösende segmentierte Szintillationsdetektor zum Nachweis von Neutrinoereignissen und die einzigartige Zeitstruktur von ISIS mit extrem kurzen Beschleunigerpulsen. Der experimentelle Aufwand war enorm: der KARMEN-Detektor war durch ein 7000 Tonnen schweres Eisenblockhaus mit der schwersten je gebauten beweglichen Tür der Welt vom Beschleunigeruntergrund abgeschirmt.

Nach dem Erscheinen des Artikels in der New York Times nahm das LSND-Experiment mit einer veränderten Konfiguration bis 1998 weiter Daten auf und konnte zusätzliche Ereignisse sammeln, die als Fortbestand des Auftauchens von elektronischen Antineutrinos und damit von Oszillationen interpretiert wurden. Parallel hierzu wurde 1996/97 die Empfindlichkeit des KARMEN-Experiments für Neutrino-Oszillationen durch den Einbau eines zweiten Detektorsystems zur Unterdrückung von störenden Ereignissen der kosmischen Strahlung im Eisenblockhaus wesentlich erhöht. In einer zweiten Messphase wurde mit KARMEN ab 1997 bis zum Ende der Messungen im März 2001 nach dem Auftauchen von elektronischen Antineutrinos gesucht. Die Auswertung der KARMEN-Daten in Karlsruhe zeigte keinen Oszillationsüberschuss. Da beide Experimente eine vergleichbare Sensitivität aufwiesen, ergab sich ein Widerspruch zwischen KARMEN und LSND, der nur durch ein weiteres Experiment geklärt werden konnte.

Ende 1997 wurde am Fermilab von einem US-Forscherteam der Vorschlag für MiniBooNE eingereicht, bei dem in einem höheren Energiebereich und in einem größeren Abstand des Detektors von der Neutrinoquelle nach Oszillationen zwischen myonischen und elektronischen Neutrinos gesucht werden sollte. Im September 2002 konnten die ersten Neutrino-Ereignisse nachgewiesen werden. Die große Herausforderung bei MiniBooNE lag in der eindeutigen Identifizierung der wenigen auf der Basis von LSND erwarteten elektronischen Neutrinos vor einem Hintergrund von mehreren Hunderttausend konventionellen Neutrino-Wechselwirkungen. Dementsprechend zeitintensiv gestaltete sich die Datenanalyse, bei der die Signalregion der Oszillationsereignisse über die gesamte Messzeit verdeckt blieb („blinde“ Analyse).

Erst kurz vor Ostern 2007 war es soweit: knapp 10 Jahre nach der Einreichung des Experimentvorschlags wurde die Neutrino-Box von MiniBooNE endlich geöffnet. In der Box verbleibt nach Abzug von Untergrundereignissen kein Oszillationssignal. Die MiniBooNE-Resultate bestätigen damit die bereits 2001 erzielten Resultate von KARMEN und widerlegen eindeutig die Oszillationshypothese von LSND. Die in einem Fermilab-Sonderseminar am 11. April 2007 durch die beiden MiniBooNE-Sprecher präsentierten Resultate sind für den ehemaligen Sprecher des KARMEN-Experimentes und heutigen KATRIN-Projektleiter, Professor Dr. Guido Drexlin (Forschungszentrum und Universität Karlsruhe), keine Überraschung: „Auf der Basis unseres KARMEN-Resultates durfte in der Neutrino-Box von MiniBooNE kein Oszillationssignal verbleiben“. Die Karlsruher Neutrinoforscher freut besonders, dass KARMEN in weiten Parameterbereichen der Neutrino-Oszillationen einen knappen Vorsprung vor MiniBooNE behält.

Damit ist die wissenschaftliche Kontroverse zwischen LSND und den Karlsruher Neutrinoforschern entschieden: Die sorgfältigen Messungen von KARMEN haben sich als richtig erwiesen. Dass es hierbei um wesentlich mehr als eine Kontroverse zwischen zwei Experimenten ging haben die deutlich mehr als 100 Publikationen gezeigt, die sich seit 1995 mit möglichen theoretischen Erklärungen für den LSND-Effekt beschäftigten. Die Bestätigung von KARMEN durch MiniBooNE entzieht diesen teilweise exotischen Theorien (die zum Beispiel die Existenz steriler Neutrinos postulieren) den experimentellen Boden. Neutrinos und ihre Eigenschaften bleiben auch nach den Ergebnissen von MiniBooNE im Zentrum des Interesses. Die wichtigste Fragestellung der Neutrinophysik ist nach wie vor unbeantwortet: Wie schwer ist ein Neutrino? Dieser Fragestellung wird das Karlsruhe Tritium Neutrino-Experiment (KATRIN) mit bisher unerreichter Präzision nachgehen. KATRIN wird derzeit am Forschungszentrum Karlsruhe in der Nachfolge von KARMEN durch eine internationale Kollaboration aufgebaut und ab 2010 mit den Messungen beginnen.

Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.