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Einsteins Grundprinzip der Relativitätstheorie wurde am Grund des Mittelmeers erprobt
Physiktest in der Tiefsee: Ein Neutrino-Teleskop im Mittelmeer hat bei der Suche nach möglichen Abweichungen von einem Grundprinzip der Relativitätstheorie kein auffälliges Signal gefunden. Trotzdem liefert die Auswertung von rund 1,4 Jahren Messdaten neue Grenzen für bestimmte Formen eines solchen Regelbruchs. Besonders aufschlussreich sind mögliche Unterschiede zwischen zwei Neutrinoarten.
Erlangen (Deutschland). Die Gesetze der Physik sollen für Beobachter, die sich gleichförmig bewegen, dieselbe Form haben. Diese sogenannte Lorentz-Invarianz steckt im Kern von Einsteins Relativitätstheorie und ist auch für das Standardmodell der Teilchenphysik grundlegend. Manche Ansätze für eine Quantentheorie der Gravitation lassen jedoch winzige Abweichungen von dieser Symmetrie zu.
Solche Abweichungen könnten sich in der Umwandlung von Neutrinos verraten, die über große Distanzen durch die Erde fliegen. Diese fast masselosen Elementarteilchen durchdringen Materie meist ungehindert und können unterwegs ihre Teilchensorte wechseln, was als Neutrino-Oszillation bezeichnet wird. Gerade diese Umwandlungen lassen sich präzise berechnen und bieten damit einen empfindlichen Test für neue Physik.
Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) um Lukas Hennig haben nun gemeinsam mit der internationalen KM3NeT-Kollaboration untersucht, ob atmosphärische Neutrinos die erwarteten Umwandlungsmuster zeigen. Als Messinstrument diente ORCA, ein Unterwasser-Teleskop rund 40 Kilometer vor Toulon, das in etwa 2.450 Metern Tiefe installiert ist.
Atmosphärische Neutrinos entstehen, wenn energiereiche Teilchen aus dem All auf die Erdatmosphäre treffen. Bei seltenen Wechselwirkungen in der Nähe der Sensoren entstehen geladene Teilchen, die kurze Lichtblitze im Wasser erzeugen. Aus den Mustern dieses sogenannten Tscherenkow-Lichts kann das Teleskop die Energie und die Bewegungsrichtung der Neutrinos rekonstruieren.
Für die Untersuchung standen erst sechs der geplanten zahlreichen Sensorstränge zur Verfügung. Die zwischen Januar 2020 und November 2021 gesammelten Daten ergaben nach der Qualitätsauswahl 510 Tage verwertbare Messzeit, also rund 1,4 Jahre. Die ausgewertete Stichprobe umfasst etwa 5.800 Neutrino-Ereignisse, die anhand ihrer Lichtmuster in drei Klassen eingeteilt wurden.
Die geprüfte wissenschaftliche Fassung der Arbeit ist als Preprint öffentlich zugänglich. Im offiziellen Publikationsverzeichnis wird sie als zur Fachveröffentlichung angenommen geführt.
Das Team verglich die gemessenen Energien und Einfallsrichtungen mit Vorhersagen der bekannten Neutrino-Oszillation. Anschließend prüften statistische Anpassungen, ob zusätzliche Effekte aus einem theoretischen Modell möglicher Symmetrieverletzungen besser zu den Beobachtungen passen.
Das Ergebnis: Für keine der untersuchten Varianten fand sich ein statistisch signifikanter Hinweis auf eine Verletzung der Lorentz-Invarianz. Stattdessen konnten die Messdaten einschränken, wie groß bestimmte zusätzliche Einflüsse höchstens sein dürfen, ohne den Beobachtungen zu widersprechen.
Besonders streng fällt eine Obergrenze für einen Parameter aus, der die Umwandlung zwischen Myon- und Tau-Neutrinos beeinflusst. Sie liegt bei 4,8 × 10⁻²⁴ Gigaelektronenvolt auf dem 95-Prozent-Konfidenzniveau. Dieser winzige Wert beschreibt eine Größe des theoretischen Modells und ist keine direkt gemessene Energieänderung der Neutrinos.