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Wurde die 30 Jahre alte Gallium-Anomalie endlich gelöst?
Seit mehr als 30 Jahren fangen Galliumdetektoren rund 20 Prozent weniger Elektron-Neutrinos ein als berechnet. Eine neue Analyse zeigt nun, dass eine verbreitete Vereinfachung in der Theorie die erwartete Fangrate zu hoch angesetzt haben könnte. Mit realistischeren Wellenfunktionen und Kernübergängen lässt sich die Diskrepanz in plausiblen Modellen vollständig auflösen, ohne ein steriles Neutrino anzunehmen.
Rom (Italien). Seit den 1990er-Jahren begleitet die Gallium-Anomalie die Neutrinophysik, weil die Quellenexperimente GALLEX, SAGE und zuletzt BEST systematisch weniger Germanium-71-Atome erzeugten als nach den berechneten Einfangraten zu erwarten gewesen wäre. Die Abweichung beträgt rund 20 Prozent und liegt inzwischen bei mehr als fünf Standardabweichungen, weshalb sterile Neutrinos lange als besonders interessante Erklärung galten.
Elektron-Neutrinos könnten sich durch Oszillationen in solche hypothetischen Teilchen umwandeln und sich dadurch der Messung entziehen, was Physik jenseits des Standardmodells bedeuten würde. Andere Neutrinoexperimente setzen dieser Deutung inzwischen jedoch enge Grenzen, sodass auch eine konventionelle Erklärung durch Kernphysik und Berechnungsmethoden besonders relevant wäre.
Forscher des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) um Matteo Cadeddu haben nun die theoretische Berechnung des Neutrinoeinfangs auf Gallium-71 neu untersucht. Dabei nimmt ein Galliumkern ein Elektron-Neutrino auf, wandelt sich in Germanium-71 um und gibt ein Elektron ab, während zur Normierung der bisherigen Berechnung der eng verwandte Elektroneneinfang von Germanium-71 herangezogen wird.
Der übliche Ansatz trennt die Wellenfunktionen von Neutrino und Elektron von der Beschreibung des Kernübergangs und macht die Rechnung dadurch erheblich einfacher. Diese Faktorisierung setzt näherungsweise voraus, dass sich die leptonischen Wellenfunktionen innerhalb des Atomkerns kaum verändern, doch genau diese Annahme ist nach der neuen Analyse nicht allgemein gerechtfertigt.
„Der wichtige Punkt ist, dass die räumliche Struktur des Kernübergangs einen direkten Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit des Neutrinoeinfangs haben kann, wenn man den leptonischen und den nuklearen Teil des Prozesses nicht voneinander trennt. Bei einigen physikalisch plausiblen Beschreibungen des Kerns kann dieser Effekt groß genug werden, um die theoretische Vorhersage deutlich zu verändern“, erklärt Nicola Cargioli vom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).
Entscheidend ist, dass Elektroneneinfang und Neutrinoeinfang trotz ihrer engen Verwandtschaft nicht exakt dieselbe räumliche Information aus dem Kern abfragen. Beim Elektroneneinfang startet das Elektron in einem gebundenen Zustand, beim Neutrinoeinfang entsteht dagegen ein freies Elektron, sodass beide Prozesse die Kernübergangsdichte unterschiedlich gewichten, sobald die räumliche Veränderung der Elektronenwellenfunktion berücksichtigt wird.
Das Team berechnete die Elektronenwellenfunktionen deshalb mit einem relativistischen Dirac-Hartree-Fock-Slater-Verfahren und koppelte sie direkt an sogenannte Gamow-Teller-Übergangsdichten des Kerns. Diese Dichten wurden so eingeschränkt, dass sie die sehr genau gemessene Halbwertszeit von Germanium-71 von 11,465 Tagen reproduzieren und die neue Rechnung damit an eine unabhängig bekannte Messgröße gebunden bleibt.
Für mehrere physikalisch plausible Formen der Kernübergangsdichte sinkt die berechnete Neutrino-Einfangrate deutlich, in einigen Modellvarianten um ungefähr 20 Prozent. Die so erhaltenen Werte stimmen mit den kombinierten Messungen der Gallium-Experimente überein, ohne dass dafür eine Umwandlung in sterile Neutrinos angenommen werden muss.
Die Studie zeigt zugleich, warum frühere präzisere Rechnungen die Anomalie nicht beseitigt hatten. Verbesserte Elektronenwellenfunktionen allein reichen demnach nicht aus, denn erst die Aufgabe der strikten Trennung zwischen leptonischem und nuklearem Anteil gibt der räumlichen Struktur des Kernü