MINOS

MINOS — Main Injector Neutrino Oscillation Search — war ein Neutrinoexperiment zwischen dem Fermilab bei Chicago und einer stillgelegten Eisenmine in Minnesota. Es lief von 2005 bis 2016 und machte aus der Neutrinooszillation eine Präzisionsmessung.

Von der Entdeckung zur Vermessung

1998 hatte Super-Kamiokande gezeigt, dass Neutrinos oszillieren. Die Quelle waren atmosphärische Neutrinos — kostenlos, aber unkontrolliert: Man kennt weder ihre genaue Zahl noch ihr Spektrum besonders gut.

Für eine genaue Messung braucht es eine Quelle, die man selbst in der Hand hat. Genau dafür hatte Melvin Schwartz 1960 den Neutrinostrahl erfunden. MINOS nutzte ihn, um aus einem qualitativen Befund eine Zahl zu machen.

Zwei Detektoren, ein Strahl

Der entscheidende Gedanke ist die doppelte Messung.

Am Fermilab erzeugt der NuMI-Strahl Myon-Neutrinos: Protonen treffen auf ein Graphittarget, die entstehenden Pionen werden von magnetischen Hörnern gebündelt und zerfallen in einer 675 Meter langen Strecke. Ein erster Detektor von 980 Tonnen steht dort in einer Kaverne, nur einen Kilometer vom Ursprung entfernt — zu nah, als dass Oszillation eine Rolle spielen könnte. Er misst also, was losgeschickt wurde.

735 Kilometer weiter, 705 Meter tief in der Soudan-Mine, steht der zweite Detektor mit 5.400 Tonnen und misst, was ankommt.

Der Vergleich beider Messungen ist der eigentliche Kunstgriff. Wie stark der Strahl war, wie sein Spektrum aussah, wie gut die Detektoren ansprechen — all diese Unsicherheiten wirken auf beide Messungen gleich und kürzen sich im Verhältnis heraus. Übrig bleibt der Unterschied, und der ist die Oszillation.

Beide Detektoren waren zudem baugleich aufgebaut, aus denselben abwechselnden Lagen Stahl und Szintillator. Auch das dient dem Ziel, dass sich systematische Fehler gegenseitig aufheben.

Der magnetisierte Stahl

Eine Besonderheit unterschied MINOS von allen anderen Neutrinodetektoren: Der Stahl war magnetisiert.

Ein Magnetfeld krümmt die Bahn geladener Teilchen, und aus der Krümmungsrichtung liest man die Ladung ab. MINOS konnte deshalb Myonen von Antimyonen unterscheiden — und damit Neutrinos von Antineutrinos.

Das erlaubte einen Test, den vorher niemand durchführen konnte: Oszillieren beide gleich? Ein Unterschied wäre ein Hinweis auf eine Verletzung der CPT-Symmetrie gewesen, eines der tiefsten Prinzipien der Physik. MINOS fand keinen — im Rahmen der Messgenauigkeit verhalten sich Neutrinos und Antineutrinos gleich.

Die Ergebnisse

MINOS bestimmte die Massenquadratdifferenz Δm²₃₂ auf wenige Prozent genau. Diese Zahl gehört bis heute zu den bestvermessenen Größen der Neutrinophysik.

Wichtiger noch als der Wert war das Muster. Neutrinos bestimmter Energien fehlten stärker als andere, und zwar genau in der Form, die eine Oszillation vorhersagt: ein Tal im Spektrum, dessen Lage von Energie und Entfernung abhängt.

Das schloss konkurrierende Erklärungen aus. Wären die Neutrinos einfach zerfallen oder in eine zusätzliche Dimension entwichen — beides war ernsthaft erwogen worden —, hätte das Spektrum anders ausgesehen.

Ein Nebenergebnis zur Geschwindigkeit

MINOS maß auch, wie schnell seine Neutrinos die 735 Kilometer zurücklegten, und fand das Ergebnis mit der Lichtgeschwindigkeit verträglich. Dieselbe Frage brachte dem Experiment OPERA 2011 kurzzeitig weltweite Schlagzeilen ein, bis sich dort ein Fehler in der Zeitmessung fand.

Nachfolge

Seit 2014 nutzt NOvA dieselbe Strahllinie, allerdings 14 Milliradian neben der Achse und mit einem 14.000 Tonnen schweren Detektor in Ash River, Minnesota. Die schräge Anordnung liefert ein schmaleres Energiespektrum — derselbe Griff, den auch T2K in Japan verwendet.

Der nächste Schritt auf demselben Gelände ist DUNE, mit 1.300 statt 735 Kilometern Strecke und flüssigem Argon statt Stahl.

Quellen

MINOS-Kollaboration: Measurement of Neutrino and Antineutrino Oscillations Using Beam and Atmospheric Data in MINOS, Physical Review Letters 110, 251801 (2013).
MINOS-Kollaboration: Measurement of the neutrino velocity with the MINOS detectors, Physical Review D 92, 052005 (2015).