Sterile Neutrinos

Ausschlussdiagramm des STEREO-Experiments, verglichen mit dem Parameterbereich der Reaktoranomalie. Beschriftung englisch.Foto: M. Vialat, ILL, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons

Sterile Neutrinos sind hypothetische Teilchen: eine vierte Neutrinoart, die nicht einmal an der schwachen Wechselwirkung teilnimmt. Sie wären damit noch zurückhaltender als gewöhnliche Neutrinos — bemerkbar allein dadurch, dass sie sich mit diesen mischen.

Nachgewiesen sind sie nicht. Aber es gibt mehrere Messungen, die sich mit ihnen erklären ließen.

Warum genau drei — und warum vielleicht doch nicht

1989 maß man am CERN die Zerfallsbreite des Z-Bosons. Daraus folgt, an wie viele leichte Neutrinoarten es koppeln kann. Das Ergebnis war eindeutig: drei.

Diese Messung schließt eine vierte Art aber nur aus, wenn diese sich wie die anderen verhält. Ein Neutrino, das gar nicht an das Z-Boson koppelt, bliebe unsichtbar. Genau das meint das Wort steril.

Ein solches Teilchen nähme an keiner der bekannten Kräfte teil außer der Schwerkraft. Bemerkbar machen könnte es sich nur über die Neutrinooszillation: Ein gewöhnliches Neutrino ginge zeitweise in den sterilen Zustand über und wäre dann für jeden Detektor verschwunden.

Die Hinweise

Mehrere unabhängige Messungen zeigen ein Defizit, das nicht ins Bild passt:

Die Galliumanomalie. Bei der Eichung von SAGE und GALLEX mit künstlichen Quellen aus Chrom-51 und Argon-37 lag die gemessene Rate um 10 bis 20 Prozent unter der berechneten. Das Nachfolgeexperiment BEST bestätigte das 2022.

Die Reaktoranomalie. Nach einer Neuberechnung von 2011 liefern Reaktoren rund sechs Prozent weniger Antineutrinos als erwartet.

LSND und MiniBooNE. Zwei amerikanische Beschleunigerexperimente fanden mehr Elektron-Neutrinos als vorhergesagt — LSND in den 1990er Jahren, MiniBooNE später mit ähnlichem Befund.

Auffällig ist, dass all diese Abweichungen bei kurzen Strecken auftreten. Ein steriles Neutrino mit einer Masse im Bereich eines Elektronenvolts würde genau dort wirken — bei den langen Strecken der etablierten Experimente wäre es längst ausgemittelt.

Die Gegenargumente

Die Sache ist keineswegs entschieden, und mehreres spricht dagegen.

Experimente wie MINOS+, IceCube und Daya Bay haben gezielt nach dem passenden Oszillationsmuster gesucht und nichts gefunden. Ihre Ausschlussbereiche überschneiden sich mit dem Gebiet, das die Anomalien nahelegen — die Befunde vertragen sich also nicht miteinander.

Auch die Kosmologie setzt Grenzen. Eine zusätzliche leichte Teilchenart hätte die Ausdehnung des frühen Weltalls beschleunigt und die Entstehung der leichten Elemente verändert. Die Beobachtungen lassen dafür wenig Spielraum.

Und schließlich sind die Anomalien einzeln erklärbar. Bei der Galliumanomalie steht der zugrunde liegende Kernübergang zur Diskussion, bei der Reaktoranomalie die Betaspektren von Uran-235, die inzwischen nachgebessert wurden.

Es ist die unbefriedigendste Lage, die ein Forschungsfeld haben kann: mehrere schwache Hinweise, die einzeln erklärbar sind, zusammen aber auffällig bleiben.

Die schwere Variante

Neben der leichten Form werden auch schwere sterile Neutrinos erwogen, mit Massen im Bereich von Kiloelektronenvolt oder weit darüber.

Solche Teilchen kämen als dunkle Materie in Betracht. Und im Seesaw-Mechanismus treten sie ohnehin auf — dort sind die schweren rechtshändigen Partner nichts anderes als sterile Neutrinos.

In dieser Form ist die Idee keineswegs exotisch, sondern Bestandteil einer der angesehensten Erklärungen für die Kleinheit der Neutrinomasse. Der Unterschied liegt in der Masse: Ein schweres steriles Neutrino wäre theoretisch gut motiviert, aber unerreichbar; ein leichtes wäre messbar, aber theoretisch schwer unterzubringen.

Warum weitergesucht wird

Ein leichtes steriles Neutrino wäre das erste Teilchen jenseits des Standardmodells, das sich im Labor herstellen ließe. Der Einsatz ist hoch genug, um mehreren Prozent Abweichung nachzugehen — auch wenn die Wahrscheinlichkeit gering ist.

Quellen

BEST-Kollaboration: Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions, Physical Review Letters 128, 232501 (2022).
Particle Data Group: Review of Particle Physics, Abschnitt Sterile Neutrinos.