DONUT

DONUT — Direct Observation of the Nu Tau — war ein Experiment am Fermilab, das im Jahr 2000 das Tau-Neutrino nachwies. Es war das letzte der zwölf Materieteilchen des Standardmodells, das noch fehlte.

Ein Vierteljahrhundert Wartezeit

Martin Perl hatte 1975 das Tau-Lepton entdeckt und damit eine dritte Familie von Leptonen eröffnet. Da zu jedem geladenen Lepton ein eigenes Neutrino gehört, war ein drittes zu erwarten.

Zweifel gab es kaum. 1989 zeigte die Messung der Zerfallsbreite des Z-Bosons am CERN, dass es genau drei leichte Neutrinoarten gibt — nicht zwei, nicht vier. Gesehen aber hatte man das dritte nie.

Der Grund liegt im Nachweis selbst. Ein Tau-Neutrino verrät sich nur, indem es ein Tau-Lepton erzeugt. Dieses lebt rund 0,3 Billionstel Sekunden und legt dabei etwa einen Drittelmillimeter zurück, bevor es zerfällt. Man muss also eine Spur von weniger als einem Millimeter Länge sehen — und darin einen Knick.

Kein elektronischer Detektor löst das auf. Die feinsten Drahtkammern kommen auf einige zehntel Millimeter.

Die Herstellung des Strahls

DONUT musste sich seine Tau-Neutrinos erst machen. Ein Protonenstrahl von 800 Gigaelektronenvolt traf auf einen Wolframblock. Dabei entstehen unter anderem D_s-Mesonen — schwere Teilchen mit einem Charm-Quark, die zu einem kleinen Teil in ein Tau-Lepton und ein Tau-Neutrino zerfallen.

Alles andere wurde ferngehalten: Der Wolframblock stoppte die Hadronen, Magnetfelder lenkten geladene Teilchen ab, Abschirmung schluckte den Rest. Übrig blieb ein Strahl aus Neutrinos, in dem neben Elektron- und Myon-Neutrinos ein Anteil von etwa fünf Prozent Tau-Neutrinos steckte.

Die Rückkehr zur Photoplatte

Für den Nachweis griff DONUT auf eine Technik zurück, die aus der Frühzeit der Teilchenphysik stammt: photographische Emulsion.

Der Detektor bestand aus Schichten aus Stahl und Emulsionsfilm. Der Stahl liefert Masse, damit überhaupt eine Wechselwirkung stattfindet. Die Emulsion zeichnet die Spuren geladener Teilchen mit einer Auflösung von unter einem Mikrometer auf — tausendmal feiner als jeder elektronische Detektor.

Der Preis dafür ist der Aufwand. Ein Film speichert alles, was je durch ihn hindurchgegangen ist, und lässt sich nicht auslesen wie ein Chip. Elektronische Detektoren zeigten deshalb grob an, wo etwas geschehen war; die betreffenden Emulsionsplatten wurden dann entwickelt und automatisch mikroskopiert.

Vier Ereignisse

Von etwa sechs Millionen aufgezeichneten Wechselwirkungen blieben nach der Auswahl rund tausend Kandidaten. Am Ende trugen vier den unverwechselbaren Knick.

Vier Ereignisse als Grundlage einer Entdeckung — das klingt schmal. Entscheidend ist der Vergleich mit dem erwarteten Untergrund, und der lag bei etwa 0,3 Ereignissen. Die Wahrscheinlichkeit, vier solche Spuren zufällig zu erhalten, ist verschwindend gering.

Die Kollaboration gab die Entdeckung im Juli 2000 bekannt. Eine spätere, verfeinerte Auswertung des vollständigen Datensatzes erhöhte die Zahl auf neun Ereignisse.

Was damit erreicht war

Mit DONUT waren alle zwölf Materieteilchen des Standardmodells nachgewiesen: sechs Quarks und sechs Leptonen, darunter drei Neutrinos. Vom Higgs-Boson abgesehen, das 2012 folgte, war das Gebäude vollständig.

Für die Neutrinophysik hatte das unmittelbare Folgen. Die Neutrinooszillation wird als Übergang zwischen genau diesen drei Arten beschrieben, und die PMNS-Matrix hat drei Zeilen und drei Spalten. Solange die dritte Art nur erschlossen war, blieb in dieser Beweiskette eine Lücke.

DONUT schloss sie. Fünfzehn Jahre später zeigte OPERA mit derselben Emulsionstechnik, dass sich Myon-Neutrinos auf dem Weg tatsächlich in Tau-Neutrinos verwandeln — womit der Kreis geschlossen war.

Quellen

DONUT-Kollaboration (K. Kodama u. a.): Observation of tau neutrino interactions, Physics Letters B 504, 218 (2001).
DONUT-Kollaboration: Final tau-neutrino results from the DONuT experiment, Physical Review D 78, 052002 (2008).