Sie kommen aus der Tiefe des Universums, dem Inneren der Sonne, in der Hochatmosphäre oder bei den Kernspaltungsprozessen in Nuklearreaktoren – Neutrinos sind die bei Weitem häufigsten und zugleich rätselhaftesten Elementarteilchen. Pro Sekunde treffen gut 65 Milliarden von ihnen auf eine quadratzentimetergroße Fläche. Weil sie keine Ladung tragen und mit normaler Materie kaum reagieren, ist es schwierig, sie einzufangen und zu vermessen. So wissen die Wissenschaftler bis heute nicht, wie groß die Masse dieser Partikel ist. Dabei ist das eine der wichtigsten Fragen in der modernen Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie. Nun ist eine internationale Forschergruppe des „Jiangmen Underground Neutrino Observatory“ (JUNO) in der südchinesischen Provinz Guandong der Antwort ein Stück näher gerückt.Ob Neutrinos, von denen drei Varianten bekannt sind, eine, wenn auch kleine Masse besitzen, war lange unklar – und wurde zumeist verneint. Dann fanden Wissenschaftler Ende der Neunzigerjahre des vergangenen Jahrhunderts mit dem unterirdischen Super-Kamiokande-Detektor in der Nähe der japanischen Stadt Kamioka erstmals deutliche Hinweise darauf, dass sogenannte Myon-Neutrinos, die in der Atmosphäre erzeugt werden, sich im Flug in eine andere Neutrinoart umwandeln können, also in Elektron- oder Tau-Neutrinos. Derartige Neutrino-Oszillationen, die man seither auch bei solaren und in Kernreaktoren erzeugten Neutrinos beobachtet hat, sind nur möglich, wenn die Teilchen eine Masse besitzen. Allerdings ist aus den Oszillationen nicht ableitbar, wie groß diese ist. Aus den Oszillationen folgt nur, dass Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos leicht unterschiedliche Massen besitzen. Unklar ist, welches das schwerste der drei ist. Und auch die Hierarchie der Massen ist offen. Gibt es zwei schwerere Neutrino-Typen und eine leichtere Variante oder ein leichtes Neutrino und zwei schwerere? Und wie groß sind die Massendifferenzen genau? Diese Fragen soll JUNO in den kommenden Jahren beantworten.Verräterisches TeilchendefizitDabei hofft man, nicht nur das Rätsel um die Neutrinomassen lösen zu können, sondern auch Hinweise auf das sogenannte Sterile Neutrino zu gewinnen. Diese hypothetische vierte Neutrinoart unterliegt nicht der Schwachen Wechselwirkung, wie die bekannten Geisterteilchen, sondern allein der Schwerkraft und wäre somit viel schwerer aufzuspüren. Gleichwohl könnte das hypothetische Teilchen viele ungeklärte Phänomene erklären. So wird es als Kandidat für die Dunkle Materie gehandelt.Blick von außen auf den JUNO-DetektorJUNO CollaborationDas JUNO-Experiment, das im Sommer vergangenen Jahres seinen Messbetrieb aufgenommen hat, vermisst präzise Elektronen-Anti-Neutrinos, die von zwei Kernreaktoren in rund 50 Kilometer Entfernung produziert werden. Um wenigstens einiger der ankommenden Teilchen habhaft zu werden, hat man einen unterirdischen Detektor gebaut, der aus einer 35 Meter großen Acrylkugel besteht, die mit 20.000 Tonnen eines flüssigen Kohlenwasserstoffs gefüllt ist. Treffen die anfliegenden Anti-Neutrinos auf die Kohlenstoffatome der Flüssigkeit, reagieren sie hin und wieder mit deren Atomkernen. Dabei entsteht charakteristische Strahlung. Diese wird von 45.000 Lichtdetektoren registriert, mit denen die Innenseite der Kugel ausgekleidet ist.Die Wissenschaftler aus 17 Ländern registrieren nun mit großer Präzision die Energie und Zahl der mit Juno-Detektor nachgewiesenen Neutrinos. Dabei stellen sie einen charakteristischen Schwund fest. Sie messen stets weniger Geisterteilchen, als in den benachbarten Kernreaktoren produziert werden. Der Grund: Die Anti-Neutrinos wandeln sich aufgrund von Neutrino-Oszillationen auf ihrem Flug zum JUNO-Detektor in Myon- oder Tau-Neutrinos um. Sie entziehen sich dadurch dem Nachweis, was sich in einem charakteristischen Defizit im Detektor zeigt.Hoffnungsvolle DatenDas ist an sich nichts Ungewöhnliches und schon mit anderen Neutrino-Detektoren beobachtet worden. Aufgrund seiner Größe und seiner Empfindlichkeit kann JUNO jedoch alle drei theoretisch möglichen Neutrino-Oszillationen gleichzeitig beobachten, auch wenn Myon- und Tau-Neutrinos nicht explizit nachgewiesen werden können. Die Oszillationen sollten sich in der Form des Energiespektrums der beobachteten Elektronen zeigen.Und tatsächlich: Die Forschergruppe hat in ihren jüngsten, 60 Tage währenden Messungen einen deutlichen wellenartigen Verlauf in ihrem Energiespektrum beobachtet. Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichtet, haben sie daraus Hinweise auf die Existenz einer Massenhierarchie gewinnen können, zwischen dem leichten Elektron- und dem schwereren Myon- sowie Tau-Neutrino. Um genauere Aussagen treffen zu können, müssen noch weitere Daten genommen werden. Patricia Vahle und Zoya Vallari von den Universitäten Williamsburg in Virginia und Ohio in Columbus schätzen in einem ebenfalls in „Nature“ erschienenen Begleitkommentar, dass die JUNO-Forscher etwa sechs Jahre lang Daten sammeln müssen, um zwischen den beiden möglichen Massendifferenzen unterscheiden zu können.Derweil haben vermutlich zwei weitere Experimente ihren Betrieb aufgenommen: Hyper-Kamiokande „Hyper-K“ in Japan und das Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) am Fermilab bei Chicago.