Eine Neutrino-Massenfehlanpassung könnte die Grundlagen der Kosmologie erschüttern.

Als das junge Universum unter der Anziehungskraft der Schwerkraft erstarrte, verklumpte sich die Materie zu Galaxien, Galaxienhaufen und Filamenten, die ein atemberaubendes, komplexes kosmisches Netzwerk webten. Die Struktur dieses Netzwerks ist teilweise auf die Arbeit der Neutrinos zurückzuführen - leichte, subatomare Teilchen, die in unvorstellbaren Mengen durch das Universum strömen.

Weil sie mit hoher Geschwindigkeit unterwegs sind und nur selten mit anderer Materie interagieren, wurden die Teilchen nicht leicht von dem gravitativen Molasses dieses Geflechts erfasst. Ihre Anwesenheit fegte also die Spinnweben weg und hinderte die Bildung feiner Details in diesem kosmischen Zierat.

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Die Masse der Neutrinos ist weniger als ein Millionstel der des nächstleichtesten Teilchens, des Elektrons, aber niemand weiß genau, wie massiv sie sind. Sie sind der einzige bekannte Typ eines fundamentalen subatomaren Teilchens, bei dem diese grundlegende Eigenschaft unbekannt ist, und einige Forscher vermuten, dass dieses fehlende Wissen ein Tor zu einem neuen Verständnis der Physik sein könnte.

„Neutrinos sind eines der Schlüsselteilchen, die wir nicht so gut verstehen wie andere, aber die dennoch tiefgreifende kosmologische Konsequenzen haben“, sagt der Teilchenkosmologe Miguel Escudero vom europäischen Teilchenphysiklabor CERN in der Nähe von Genf.

Die herausragende Rolle der kleinen Teilchen bei der Gestaltung des Universums bedeutet, dass sie die Kluft zwischen der subatomaren Welt, die normalerweise in Teilchenbeschleunigern oder Physiklabors untersucht wird, und der kosmologischen Welt überbrücken, die durch das Hinausschauen in den Himmel erkannt wird. Daher verwenden Wissenschaftler sowohl Beobachtungen des Weltraums als auch Experimente auf der Erde, um dieses massive Rätsel zu lösen.

Aber wenn man einen Kosmologen fragt, wie viel Neutrinos wiegen, und einen Teilchenphysiker dieselbe Frage stellt, könnte man zwei verschiedene Antworten bekommen. Die Methoden der beiden Gruppen zur Bestimmung dieser Massen deuten auf eine Diskrepanz hin.

Neueste kosmologische Daten, die vom Dark Energy Spectroscopic Instrument oder DESI gesammelt wurden, bevorzugen Massen, die überraschend klein sind und sich gefährlich nah an den Ergebnissen der Teilchenphysikexperimente bewegen. Tatsächlich deuten einige Interpretationen der DESI-Daten darauf hin, dass Neutrinos keine Masse haben oder sogar negative Masse, normalerweise ein verbotenes Konzept in der Physik.

Das eigenartige Ergebnis lässt Physiker über einige faszinierende Ideen nachdenken - dass die Massen der Neutrinos sich im Laufe der Geschichte des Universums ändern könnten oder dass die scheinbar negativen Massen eine Illusion sind, die durch die dunkle Energie verursacht wird, das geheimnisvolle Phänomen, das bewirkt, dass das Universum sich mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt.

DESI, das sich am Kitt Peak National Observatory in Arizona befindet, sammelt detaillierte Karten von Galaxien und anderen Objekten. Im April sorgten DESI-Wissenschaftler für Aufsehen, als sie vorschlugen, dass sich die Dichte der dunklen Energie im Laufe der Geschichte des Universums ändern könnte. Die Neutrino-Kuriosität wurde überschattet. Aber in den Monaten seither haben Physiker erkannt, dass DESI auch große Auswirkungen auf Neutrinos haben könnte.

Einige Wissenschaftler sind jedoch der Meinung, dass die Diskrepanz bezüglich der Neutrinomasse keine universellen Auswirkungen hat. Stattdessen könnte sie sich aus abstrusen Details darüber ergeben, wie die kosmologischen Daten analysiert werden.

Aber wenn der Effekt bestehen bleibt, könnte dies auf eine massive Veränderung hindeuten. „Ich denke, unsere Beschreibung des Universums ist zu einfach“, sagt Kosmologin Eleonora Di Valentino von der Universität Sheffield in England. „Jetzt, wo wir sehr starke und sehr sensible Messungen haben … ist es Zeit, es ein wenig komplizierter zu machen.“

Neutrinos kommen in drei Varianten vor - Elektronenneutrinos, Myonen-Neutrinos und Tau-Neutrinos. Um die Dinge komplizierter zu machen, hat jeder Typ keine definitive Masse, sondern trägt eine quantenmechanische Mischung aus drei verschiedenen Massen.

Heutzutage durchdringt die Dreifaltigkeit das Universum mit Hunderten von Millionen Neutrinos pro Kubikmeter und übertrifft Protonen um den Faktor etwa einer Milliarde. Im frühen Universum waren die Teilchen sogar noch dichter verpackt.

Obwohl Neutrinos extrem leicht sind, liegt ihre Stärke in der Masse. Schon seit Milliarden von Jahren sind die Teilchen im Universum präsent und prägen den Nachthimmel unverkennbar mit ihrer Anwesenheit. Sie bewegten sich nicht nur in der normalen, sichtbaren Materie, die Sterne und andere Weltraumartikel bildet, sondern auch in der Dunklen Materie, einer schlecht verstandenen Massequelle, die Galaxien im ganzen Kosmos vergrößert.

Die kombinierte Anzahl der Neutrinos reichte nicht nur aus, um das kosmische Netzwerk zu verändern, sondern auch, um die Expansionsrate des Universums zu beeinflussen. Diese beiden Faktoren ermöglichen es den Wissenschaftlern, die Neutrinomassen zu bestimmen, indem sie in den Weltraum schauen. Größere Neutrinomassen hätten zu einer schnelleren Expansion des Universums und einem weniger klumpigen Kosmos geführt als kleinere Neutrinomassen.

DESI kartiert kosmische Strukturen, um durch einen Effekt, der als Baryonenschalloszillationen bekannt ist, die Expansionsrate zu bestimmen, Schallwellen, die kreisförmige Muster im sehr frühen Universum hinterließen. Indem Wissenschaftler diese Muster zu verschiedenen Zeitpunkten in der Geschichte des Universums verfolgen, können sie sein Wachstum verfolgen, ähnlich wie bei den kosmischen Baumringen.

Unterdessen zeigt die kosmische Hintergrundstrahlung, das Licht, das 380.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt wurde, die Klumpigkeit des Kosmos. Wenn Licht von der kosmischen Hintergrundstrahlung den Weltraum durchquert, wird seine Bahn von den Gebieten der Materie auf seiner Reise gebogen, ähnlich wie Licht, das durch eine Linse fällt. Die Menge dieser Gravitationslinsen sagt den Wissenschaftlern, wie klumpig der Kosmos ist.

Die Kombination der Messungen der Klumpigkeit aus der kosmischen Hintergrundstrahlung und der Expansionsrate von DESI – zwei Dinge, die Neutrinos beeinflussen – ermöglicht es den Wissenschaftlern, sich auf deren Masse zu konzentrieren.

Die DESI-Daten, in Kombination mit den Daten zur kosmischen Hintergrundstrahlung des Planck-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation, liefern eine Massenobergrenze für Neutrinos. Speziell summiert sich die Masse der drei Neutrinos auf weniger als etwa 0,07 Elektronenvolt auf einem Vertrauensniveau von 95 Prozent, berichteten Forscher im April online auf arXiv.org. (Ein Elektronenvolt ist eine Einheit, die Physiker zur Quantifizierung von Masse verwenden. Die Masse eines Elektrons beträgt etwa 511.000 Elektronenvolt.)

Neben einer Obergrenze für die Neutrinomasse gibt es auch eine Untergrenze, die auf Experimenten in der Labor-Teilchenphysik basiert. Diese Experimente messen ein Phänomen namens Neutrinooszillationen, das sich daraus ergibt, dass jeder Neutrino-Typ eine Quantenmischung verschiedener Massen ist. Das Massenmischung bedeutet, dass Neutrinos während ihrer Reise von einer Sorte in eine andere wechseln können (SN: 10/6/15). Was als Myon-Neutrino beginnt, kann später als Elektron-Neutrino nachgewiesen werden.

Neutrino-Detektoren können diese Formänderung erkennen. Da Oszillationen von der Beziehung zwischen den verschiedenen Neutrinomassen abhängen, können diese Experimente die Massen selbst nicht direkt messen. Aber sie zeigen an, dass die Summe der drei Neutrino-Massen größer sein muss als etwa 0,06 Elektronenvolt.

Das bedeutet, dass DESIs Ablehnung von Neutrinomassen von mehr als etwa 0,07 Elektronenvolt alarmierend nahe daran ist, den gesamten Bereich der von Oszillationsexperimenten erlaubten Massen auszuschließen. Die Untergrenze und die Obergrenze berühren sich nahezu.

Es besteht immer noch ein wenig Spielraum – vielleicht eine Kriechkammer – für Neutrinomassen, um sowohl mit der Kosmologie als auch mit Oszillationsexperimenten in Einklang zu stehen. Aber das Ergebnis von DESI ist aus anderen Gründen überraschend. Zum einen ist der Wert, den DESI für die Summe der Neutrino-Massen als am wahrscheinlichsten angibt, null – überhaupt keine Masse.

Noch überraschender ist jedoch, dass, wenn zusätzliche kosmologische Daten zu den DESI- und Planck-Daten hinzugefügt werden, wie beispielsweise Kataloge explodierender Sterne, die auch die Expansionsrate des Universums messen, die Obergrenze für die Masse weiter auf weniger als 0,05 Elektronenvolt schrumpft, berichteten Di Valentino und Kollegen am 25. Juli auf arXiv.org. Der Spielraum wird im Wesentlichen beseitigt, sodass die Neutrino-Massen in einer Art Vorhölle verbleiben, die ohne die Vorstellung neuer Ideen über den Kosmos schwer zu erklären ist.

"Wenn man alles wörtlich nimmt – was ein großes Vorbehalt ist..., dann benötigen wir offensichtlich neue Physik", sagt die Kosmologin Sunny Vagnozzi von der Universität Trento in Italien, eine weitere Autorin des Papiers

Selbst ohne die Ergänzung der Supernovadaten würde das DESI-Ergebnis, wenn es ernst genommen wird, eine wichtige Frage beantworten: Welches Neutrino ist am schwersten? Die drei Neutrino-Massen sind ziemlich uninspirierend mit den Nummern 1, 2 und 3 bezeichnet. In einem möglichen Szenario, das als normale Ordnung bezeichnet wird, ist Masse 3 schwerer als Masse 1 und Masse 2. In dem als invertierte Ordnung bekannten Fall sind Masse 1 und Masse 2 schwerer als Masse 3. Eine andere Möglichkeit, das Problem auszudrücken: Handelt es sich um zwei relativ leichte Neutrino-Massen und eine etwas schwerere oder zwei schwere und eine leichte?

Wenn die invertierte Ordnung korrekt ist, implizieren Oszillationsexperimente, dass die Summe der Neutrino-Massen mehr als 0,1 Elektronenvolt betragen würde. Da DESI jedoch die Neutrino-Massen auf weniger als 0,07 Elektronenvolt drückt, lässt dies nicht nur der normalen Ordnung wenig Spielraum, sondern es scheint auch die invertierte Ordnung praktisch auszuschließen.

"Das ist der Grund, warum alle durchdrehen", sagt die Kosmologin Licia Verde von der Universität Barcelona, ein Mitglied der DESI-Kollaboration.

Die Ablehnung der invertierten Ordnung hätte weitreichende Auswirkungen, sowohl auf Theorien als auch auf Experimente. Die Ordnung ist so wichtig, dass Wissenschaftler ein enormes Experiment – das Jiangmen Underground Neutrino Observatory in China, das in diesem Jahr in Betrieb gehen soll – entworfen haben, das darauf abzielt, sie zu messen. Aber die Teilchenphysiker setzen ihre Pläne nicht ab, und niemand öffnet Champagnerflaschen, um das Ende der invertierten Ordnung zu feiern.

Der Grund dafür ist, dass DESI’s Masse-Obergrenze die Erwartungen übertraf. "Es war zu gut", sagt Kosmologe Daniel Green von der University of California, San Diego. Angesichts der Menge an Daten, die DESI gesammelt hat, hätten Wissenschaftler eine obere Grenze erwartet, die mehr als doppelt so groß wäre, wobei die Masse auf weniger als etwa 0,18 Elektronenvolt begrenzt wäre, sagt er, was die Möglichkeit der inversen Anordnung am Leben erhält. Tatsächlich sollte DESI nicht in der Lage sein, die inverse Anordnung auszuschließen — wenn die inverse Anordnung falsch wäre — bis es mehrere Jahre Daten gesammelt hätte. Das hat Physiker misstrauisch gemacht, dass etwas anderes im Gange ist. Wenn Wissenschaftler DESI's Vorliebe für eine Neutrinomasse von null ernst nehmen, gibt es ein paar Möglichkeiten, dies zu erklären, obwohl Neutrinos im Labor zweifellos Masse haben. Neutrinos könnten in andere Teilchen zerfallen oder miteinander annihilieren, schlagen Green und Kollegen in einem Artikel vor, der im Journal of High Energy Physics akzeptiert wurde. Oder vielleicht variieren die Massen der Neutrinos im Laufe der Zeit. Aber es gibt eine sogar wildere Möglichkeit als eine Masse von null: negative Masse. Green vermutete, "dass all dieses seltsame Verhalten darauf zurückzuführen war, dass die Daten tatsächlich in die falsche Richtung gingen. [Die Daten] haben das 'Gegenteil' eines Neutrinos wahrgenommen." Nämlich ein Neutrino mit negativer Masse. Während Neutrinos mit positiver Masse das Universum weniger klumpig machen, könnten DESI und Planck das Gegenteil finden, ein Universum, das klumpiger ist als erwartet, was bedeutet, dass es mehr Variationen in der Dichte der Materie von Ort zu Ort aufweist, als vorhergesagt. Dies könnte durch ein Bizarro-Neutrino mit negativer Masse konzeptualisiert werden. In der DESI-Analyse erlaubten Wissenschaftler keine negative Neutrinomasse. Vielleicht landete DESI nur auf null, weil es untersagt war, noch weiter zu sinken. Also haben Green und Kollegen die Analyse angepasst, um negative Massen zuzulassen. Die Analyse konzentrierte sich auf -0,16 Elektronenvolt, berichteten die Forscher. Andere fanden ähnliche Hinweise auf negative Neutrinomassen. Das ist "eine ziemlich verrückte Aussage", sagt Kosmologe Willem Elbers von der Durham University in England. Negative Massen in der Physik sind schwer zu definieren und in Theorien zu integrieren, was alle Arten von Konflikten in Gleichungen verursacht. "Wir glauben eigentlich nicht, dass die Neutrinomasse negativ ist", sagt Elbers. Stattdessen "ist es ein Symptom eines Problems entweder in den Daten oder in den Annahmen, die wir darüber machen, wie sich das Universum entwickelt." Die negative Masse könnte eine Fata Morgana der Dunklen Energie sein, schlagen Elbers und Kollegen vor. Das Standardbild des Universums geht davon aus, dass die Dunkle Energie eine konstante Dichte hat, was als kosmologische Konstante bekannt ist. Während die DESI-Daten darauf hinweisen, dass die Dunkle Energie dynamisch ist — dass ihre Dichte im Laufe der Zeit variiert — wurde DESI's Neutrinomasse unter Annahme einer kosmologischen Konstante bestimmt. Die Zulassung dynamischer Dunkler Energie löst das Neutrino-Massenproblem, berichten Elbers und Kollegen am 15. Juli online auf arXiv.org. "Es verlagert tatsächlich den wahrscheinlichsten Wert von etwas Negativem und Unphysikalischem auf etwas, das genau richtig ist", sagt Elbers: 0,06 Elektronenvolt. Aber nicht alle dynamischen Dunklen Energien sind gleich. Die einfachsten Modelle dynamischer Dunkler Energie, wie die von DESI und von Elbers und Kollegen, erlauben es der Dunklen Energie, "phantom" zu werden, eine unerwartete Situation, theoretisch. In den Lieblingstheorien der Wissenschaftler bleibt die Dichte der Dunklen Energie entweder konstant oder verdünnt sich, wenn sich der Raum ausdehnt. Mit phantoms Dunklen Energien nimmt die Dichte stattdessen zu. Diese Art von Dunkler Energie gilt als weniger plausibel - sie ist schwer zu erklären innerhalb der Standardphysiktheorien. Die Verwendung eines Modells, bei dem die Variation der Dunklen Energie daran gehindert ist, phantoms zu werden, verschlimmerte tatsächlich das Neutrino-Massen-Missverhältnis, berichteten Vagnozzi, Di Valentino und Kollegen in ihrem Artikel. Das lässt die Wissenschaftler ohne passende kosmologische Erklärung dafür, warum die Neutrinomassen kleiner als erwartet sind. Anstatt das Universum neu zu überdenken, schauen einige Wissenschaftler genauer auf die Daten. Subtile Probleme in den Daten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds könnten die Dinge verzerren, vermuten einige Forscher. Insbesondere die Daten von Planck zeigen einen unerwarteten Überschuss an Gravitationslinsen, das Biegen des Lichts des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, das Wissenschaftlern hilft, die Neutrinomassen abzuleiten. Mehr Gravitationslinsen sind auch das, was von Neutrinos mit negativen Massen erwartet wird. Tatsächlich führten frühere Versuche, die Neutrinomassen mithilfe von Planck-Daten kombiniert mit einem Vorgänger von DESI zu schätzen, auch zu unerwartet kleinen Schätzungen. Vielleicht ist Planck das Problem. Eine aktualisierte Version der Planck-Daten, die unterschiedliche Methoden zur Kartierung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds verwendet, reduziert dieses übermäßige Gravitationslinsen.

Eine Analyse basierend auf diesen aktualisierten Planck-Daten und der Entfernung von zwei abweichenden DESI-Datenpunkten hat die Hinweise auf negative Neutrinomassen beseitigt, berichtete Escudero und Kollegen online am 18. Juli auf arXiv.org

Dementsprechend sagt Escudero: "Es scheint verfrüht zu sein zu schlussfolgern, dass es eine Spannung zwischen dem minimalen Wert der Neutrinomassen, den wir aus dem Labor kennen, und dem Mangel an Nachweis von Neutrinomassen in der Kosmologie gibt."

Allerdings stellt er fest, dass die Analyse immer noch keine Hinweise auf eine positive Masse für Neutrinos gefunden hat.

Die kosmologischen Messungen der Neutrinomasse beruhen auf einer Vielzahl von Beobachtungen und hängen von der Richtigkeit der Theorie der Wissenschaftler über das Universum ab. Wenn es irgendwo eine fehlende Verbindung gibt, werden die Schätzungen der Neutrinomasse unzuverlässig. Daher hoffen Wissenschaftler in Zukunft, die Neutrinomasse direkt auf der Erde messen zu können.

Das KATRIN-Experiment in Karlsruhe, Deutschland, sucht nach dem Einfluss der Neutrinomassen auf radioaktive Zerfälle von Tritium, einer schweren Form von Wasserstoff (SN: 21.04.2021). Wenn der Kern von Tritium zerfällt, emittiert er ein Antineutrino (das Antimaterie-Gegenstück eines Neutrinos) und ein Elektron. KATRIN zielt darauf ab, den Effekt der Massen der Antineutrinos auf die Energien der bei dem Zerfall freigesetzten Elektronen nachzuweisen.

Aber obwohl Experimente wie dieses theoretisch die Neutrinomasse messen könnten, sind ihre Ergebnisse bei weitem nicht so präzise wie die der Kosmologie. Die Summe der Neutrinomassen muss nach Angaben der KATRIN-Forscher online auf arXiv.org im Juni mit einer Konfidenz von 90 Prozent weniger als 1,35 Elektronenvolt betragen. Das ist ein viel schwächeres Limit als die Kosmologie für die Masse setzt. Auch wenn direkte Experimente als zuverlässiger angesehen werden, sagen sie Wissenschaftlern nicht wirklich viel, was sie nicht bereits wussten. Zukünftige direkte Experimente könnten die Neutrinomasse genauer bestimmen, aber wenn die Neutrinomassen so winzig sind, wie die Kosmologen glauben, bedarf es ernsthafter technologischer Fortschritte.

Dennoch ist die Möglichkeit, einige der mysteriösesten Partikel im Universum besser zu verstehen, verlockend. "Ich finde es besonders interessant, dass man durch das Betrachten des Himmels etwas über ein Teilchen erfahren kann, das so leicht, winzig, klein und subatomar ist", sagt Verde.

Und wenn Wissenschaftler eine Übereinstimmung zwischen Neutrinos auf der Erde und im Weltraum finden können, werden sie nach Verde mehr Vertrauen haben, dass ihre Theorie des Universums richtig ist. "Wenn man ein Bild schaffen kann, in dem alles zusammenpasst, indem man sowohl Experimente betrachtet, die das unendlich Kleine direkt betrachten, als auch Experimente, die das sehr Große betrachten, dann bietet es auch Unterstützung für das Bild selbst."

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N. Craig et al. No νs is good news. Journal of High Energy Physics. Im Druck, 2024.

J.-Q. Jiang et al. Neutrino cosmology after DESI: tightest mass upper limits, preference for the normal ordering, and tension with terrestrial observations. arXiv:2407.18047. Eingereicht am 25. Juli 2024.

D. Naredo-Tuero et al. Living at the edge: a critical look at the cosmological neutrino mass bound. arXiv:2407.13831. Eingereicht am 18. Juli 2024.

W. Elbers et al. Negative neutrino masses as a mirage of dark energy. arXiv:2407.10965. Eingereicht am 15. Juli 2024.

DESI Collaboration. DESI 2024 VI: Kosmologische Einschränkungen aus den Messungen der Baryonenschwingungen. arXiv:2404.03002. Eingereicht am 3. April 2024.

Physikautorin Emily Conover hat einen Doktortitel in Physik von der Universität von Chicago. Sie ist zweimaliger Gewinner des D.C. Science Writers' Association Newsbrief-Awards.

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