Ein spannender Artikel im Symmetry Magazine. Das Enriched Xenon Observatory (EXO) ist ein Experiment, dass den doppelten Betazerfall untersuchen soll, und sie stehen da vor der Aufgabe: Finde ein einzelnes Atom unter 10000000000000000000000000000…
Der Artikel hat dazu den schönen Vergleich
(…) what might be the closest physics has ever come to homeopathy
Aber fangen wir vorne an…
Die Grundfrage, die bislang nicht geklärt wurde: Sind Neutrinos Majorana- oder Dirac-Teilchen? Die Majorana-Idee sagt: Neutrinos sind ihre eigenen Antiteilchen, bei Dirac-Teilchen wären Neutrino und Antineutrino verschieden (es gäbe wohl noch die Idee einer Mischung der beiden Arten).
Die beste Möglichkeit, diese Frage zu klären, wäre einen neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall zu beobachten. Beim einfachen Betazerfall zerfällt ein Neutron im Kern in ein Proton, ein Elektron und ein Anti-Elektronneutrino. Das Neutrino ist bei diesem Zerfall nötig, um die Energieerhaltung sicher zu stellen (wie hier schon erläutert, wo es allerdings die Formeln zerhauen hat, das muss ich mal korrigieren).
Es können aber auch gleichzeitig zwei Neutronen zerfallen unter Aussendung zweier Elektronen und zweier Neutrinos ist dies bekannt und beobachtet. Und natürlich – dieser Prozess ist für uns nur wahrnehmbar wenn der Übergang erster Ordnung, der einfache Betazerfall, durch Erhaltungssätze verboten ist.
Für den Fall, dass das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist UND Neutrinos Masse haben (wobei zweites mittlerweile einigermaßen klar ist), existiert noch eine weitere Möglichkeit für den doppelten Betazerfall: Dass nur zwei Elektronen ausgesendet werden und keine Neutrinos. Wir können uns einen Zwischenzustand vorstellen, bei dem ein Nukleon das Neutrino aufnimmt, das bei einem ersten Betazerfall als Antineutrino entstanden ist. Dann zerfällt auch das zweite Neutron, bevor die Unschärfe-Polizei vorbeikommt und fragt, wie es denn mit der Energieerhaltung sei. Man sieht, das geht nur wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist.
Dieser Prozess zweiter Ordnung ist natürlich sehr selten, und daher äußerst schwierig zu detektieren. Prinzipiell kann man ihn feststellen, wenn man nach zwei gleichzeitig auftauchenden Elektronen sucht, die jeweils den maximal möglichen Impuls wegtragen (denn das Neutrino exisitiert ja nicht, das normalerweise etwas Impuls abbekommen würde). Es wurden bereits solche Messungen berichtet, z.B. von der Heidelberg-Moskau-Kollaboration, die auch statistisch signifikant sind, aber nur gerade eben so. Jetzt heißt es solche Ergebnisse noch besser zu messen, um durch Reproduktion die ersten Ergebnisse zu bestätigen oder auch nicht.
Im Prototyp zur internationalen Kollaboration EXO am SLAC wird genau das an einem 200 l Experiment getan. Es werden 200 l eines Xenon-Isotops benutzt (das Bild zeigt den Behälter – klicken für Großansicht), das einen doppelten Betazerfall nach Barium machen könnte – und das Experiment wird dann in New Mexico weit unter Tage gebracht um die störende kosmische Strahlung abzuhalten und weiterhin abgeschirmt um die natürliche Radioaktivität zu stoppen. Denn bei solch geringen Zählraten ist eine Störung durch Hintergrundstrahlung das allergrößte Problem.
Und genau deswegen soll beim Hauptexperiment mit 1 Tonne Xenon auch die wagemutige Methode eingesetzt werden, den Hintergrund zu eliminieren – die zerfallenen Atome sollen gesucht werden. Das bedeutet: Suche 1 Barium-Atom in 10 hoch 28 Atomen Xenon – ein Wahnsinn.
Dennoch gibt es drei Wege, die getestet werden, denn gelänge dies, wäre das der effektivste Wert, zu einer guten Statistik zu gelangen. Im Artikel wird eine Methode beschrieben, bei der am Ende einer Glasfaser Atome mit einem kleinen System gefroren und das Barium durch dessen Fluoreszenz detektiert werden. Bei homoöpathisch verdünnten Probestoffen hat es wohl bereits funktioniert.
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