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Eine der grundlegendsten offenen Fragen in der Physik ist das Rätsel der beobachteten Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum. Dieses Ungleichgewicht bleibt im Standardmodell der Teilchenphysik ungeklärt. Die elektrisch neutralen Neutrinos könnten eine Schlüsselrolle bei der Entstehung dieser Asymmetrie in den Anfängen des Universums spielen, wenn sie sich als ihre eigenen Antiteilchen, sogenannte Majorana-Fermionen, erweisen. In solchen Szenarien würde die Erhaltung der Leptonenzahl, ein Merkmal, das in allen bisher untersuchten Teilchenreaktionen beobachtet wurde, verletzt werden.
Die Beobachtung des theoretisch vorhergesagten neutrinolosen Doppelbetazerfalls (0νββ) ist eine Möglichkeit, dieses Konzept zu beweisen. Dabei zerfallen zwei Neutronen in einem Atomkern gleichzeitig in zwei Protonen und zwei Elektronen, jedoch ohne begleitende Antineutrinos (siehe Abb. 2). Dadurch entsteht Materie ohne die entsprechende Anzahl von Antiteilchen, was unserem derzeitigen Verständnis zur Erhaltung der Leptonenzahl widerspricht und die Majorana-Natur von Neutrinos beweist, was einen revolutionären Schritt in unserem Verständnis des Universums darstellt. Darüber hinaus würde dies Einblicke in eine neue Theorie der Fermionenmassen und der absoluten Neutrinomasse-Skala bieten und die Lücke zwischen Kosmologie und Teilchenphysik schließen.
Seit 2023 sucht das LEGEND-200-Experiment nach Anzeichen für diesen neutrinolosen doppelten Betazerfall des Germaniumisotops 76Ge. LEGEND ist eine Weiterentwicklung der früheren Experimente GERDA und MAJORANA DEMONSTRATOR. Aufgrund der sehr seltenen Natur dieses Prozesses muss darauf geachtet werden, die Hintergrundsignale in den Experimenten so weit wie möglich zu minimieren. Das in den Detektoren verwendete Germanium ist extrem hochrein. Um jegliche einfallende kosmische Strahlung zu unterdrücken, befindet es sich unter 1400 Metern festem Gestein im Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italien.
Wissenschaftler der Kollaboration haben nun die ersten Ergebnisse der Suche nach dem neutrinolosem Doppelbetazerfall mit LEGEND-200 in Kombination mit Daten aus den Vorgängerexperimenten veröffentlicht. Die Analyse ergab keine Anzeichen für diesen Zerfall, sodass die Forscher eine neue Untergrenze für die Halbwertszeit des (0νββ)-Zerfalls von 76Ge von 1,9 ×1026 Jahren ermitteln konnten – zum Vergleich: Das Alter des Universums beträgt 1,4 ×1010 Jahre. Unter der Annahme, dass der Prozess durch Majorana-Neutrinos vermittelt wird, würde ihre entsprechende effektive Masse weniger als 75–200 meV/c2 betragen. Mit dem Einsatz zusätzlicher Detektoren und einer weiteren Reduzierung des Untergunds wird erwartet, dass die Empfindlichkeit von LEGEND-200 in den kommenden Jahren 1027 Jahre erreichen wird. Die zukünftige LEGEND-1000-Infrastruktur mit 1000 kg Germaniumdetektoren ist so ausgelegt, dass sie Empfindlichkeiten von über 1028 Jahren erreicht. LEGEND-1000 wurde vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) als eines der neun vielversprechendsten Projekte für groß angelegte Forschungsinfrastrukturen der Zukunft anerkannt.
Originalpublikation:
First Results on the Search for Lepton Number Violating Neutrinoless Double-Beta Decay with the LEGEND-200 Experiment
LEGEND collaboration
Phys. Rev. Lett. 136, 022701, DOI: https://doi.org/10.1103/25tk-nctn
Weblinks:
Webseite des LEGEND-Experimentes
