Eine populäre Erklärung dafür setzt im frühen Universum an, unmittelbar nach dem Urknall. Damals sollte ein so genannter Seesaw-Mechanismus die Neutrinomasse klein gehalten haben – als Kompensation für die Masse von sehr viel schwereren, mittlerweile längst in andere Teilchen zerfallenen Neutrinovarianten. Hier kommt nun Ettore Majorana ins Spiel: Damit der Seesaw-Mechanismus richtig funktioniert und unter anderem die Dominanz gewöhnlicher Materie im heutigen Universum erklären kann, muss das Neutrino die Majorana-Eigenschaft besitzen.

Seit drei Jahrzehnten fehlt jede Spur der Majoranas

Auch andere Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik, mit dem Physiker den Mikrokosmos beschreiben, basieren auf der Annahme, dass das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Sollte nun eine Messung diese Hypothese Ettore Majoranas bestätigen, würde das Forscher darin bestärken, dass sie mit diesen Theorien auf dem richtigen Weg sind. Entsprechend erpicht sind sie auf einen experimentellen Nachweis der Majorana-Vermutung.

Und der ist prinzipiell möglich. Denn glücklicherweise gibt es eine subatomare Reaktion, die nur stattfinden kann, wenn Neutrinos Majorana-Teilchen sind. Wissenschaftler suchen seit drei Jahrzehnten nach Spuren ebenjenes neutrinolosen Doppel-Betazerfalls. Er ist eine Variante des gewöhnlichen Doppel-Betazerfalls. Bei ihm wandeln sich zwei Neutronen in einem Atomkern in Protonen um, wobei sie jeweils ein Elektron und ein Antineutrino aussenden.

Laden... © V. Wagner, GERDA collaboration (Ausschnitt) GERDA-Kupferhalterung | Blick von unten in den GERDA-Detektor. Zu sehen ist die Kupferhalterung für die Germaniumdetektoren. Mit ihnen soll sich der extrem seltene neutrinolose Doppel-Betazerfall nachweisen lassen.

Ist das Neutrino mit seinem Antineutrino identisch, sollte bei diesem Doppelzerfall manchmal eines der Antineutrinos vom anderen zerfallenden Neutron absorbiert werden. Vereinfacht kann man es sich auch so vorstellen, dass sich die beiden Antineutrinos gegenseitig auslöschen – was sie aber nur können, wenn sie Majorana-Teilchen sind.

Das Problem ist, dass der neutrinolose Doppel-Betazerfall wenn überhaupt nur sehr, sehr selten stattfindet. Bisherige Messungen hätten den Prozess aufgespürt, wenn er eine Halbwertszeit von weniger als etwa 1026 Jahren hätte. Nach dieser unvorstellbar langen Zeitspanne wäre also noch mehr als die Hälfte der Neutronen vorhanden, wenn der neutrinolose doppelte Betazerfall ihre einzige Zerfallsmöglichkeit ist.

Das nun in »Nature« gewürdigte Experiment GERDA (GERmanium Detector Array) nutzt für die Suche nach dem Zerfall 37 insgesamt 36 Kilogramm schwere Germaniumkristalle in einem Argontank unter dem Gran Sasso D'Italia. Das Isotop Germanium-76 eignet sich besonders gut für die Suche, weil in dem Material gewöhnliche Betazerfälle nicht auftreten. Das Team, an dem unter anderem das Max-Planck-Institut für Kernphysik und die Universität Tübingen beteiligt sind, hat den Detektor in den vergangenen Jahren ausgebaut und verbessert. 2013 konnten sie bereits schon einmal keine Spuren des Betazerfalls aufspüren.