Neutrinos, schwer fassbare Teilchen, die kaum mit Materie interagieren, könnten eine bahnbrechende Eigenschaft besitzen: Sie könnten ihre eigenen Antiteilchen sein, ein Konzept, das als Majorana-Neutrinos bekannt ist. Diese Hypothese, erstmals 1937 von dem Physiker Ettore Majorana vorgeschlagen, bleibt eines der am meisten diskutierten Themen in der modernen Teilchenphysik.
Die Existenz von Neutrinos wurde ursprünglich 1930 von Wolfgang Pauli vorgeschlagen, um die Energieerhaltung bei der Betazerfall zu erklären. Enrico Fermi entwickelte später eine detaillierte Theorie, die Neutrinos einbezog, die nach ihrer geringen Größe benannt wurden. Derzeit sind drei Arten von Neutrinos anerkannt: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos, die jeweils mit ihren entsprechenden geladenen Teilchen verbunden sind.
Laut dem Standardmodell der Teilchenphysik hat jedes Teilchen ein entsprechendes Antiteilchen. Neutrinos sind jedoch neutral, was die Möglichkeit aufwirft, dass sie von ihren Antiteilchen nicht zu unterscheiden sind.
Wenn die Majorana-Hypothese bestätigt wird, könnte dies unser Verständnis des Universums erheblich verändern. Sie könnte Antworten auf das Rätsel liefern, warum Materie über Antimaterie dominiert, eine Frage, die das Standardmodell ohne Einführung neuer Physik nicht zu beantworten vermag.
Eines der am meisten gesuchten Signale zur Bestätigung, dass Neutrinos Majorana-Teilchen sind, ist ein seltener Prozess, der als neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall bekannt ist. In diesem Szenario emittiert ein Atomkern zwei Elektronen, ohne Neutrinos zu erzeugen, was nur möglich wäre, wenn Neutrinos tatsächlich Majorana-Teilchen sind.
Weltweit versuchen zahlreiche Experimente derzeit, neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall nachzuweisen. Zu den bemerkenswerten Projekten gehören:
EXO-200 und nEXO: Das EXO-200-Experiment hat nach neutrinolosem Doppel-Beta-Zerfall im Xenon-136 gesucht, während sein Nachfolger nEXO eine verbesserte Sensitivität verspricht.
GERDA und LEGEND: Diese Experimente konzentrieren sich auf Germanium-76 und haben einige der strengsten Grenzen bis heute festgelegt.
KamLAND-Zen: Dieses Experiment in Japan verwendet gelöstes Xenon-136 in einem Flüssigszintillator-Detektor und hat bedeutende Ergebnisse in der Suche nach Majorana-Neutrinos geliefert.
Obwohl der neutrinolose Doppel-Beta-Zerfall bisher nicht beobachtet wurde, verbessert jedes neue Experiment die Sensitivität und bringt die Forscher näher an die Lösung dieses grundlegenden Rätsels.
Wenn Neutrinos als Majorana-Teilchen bestätigt werden, wären die Implikationen für die Kosmologie tiefgreifend. Sie könnten eine entscheidende Rolle bei der Leptogenese spielen, einem Mechanismus, der erklären könnte, warum das Universum von Materie und nicht von Antimaterie dominiert wird. Darüber hinaus könnte diese Entdeckung den Weg für neue Physik jenseits des Standardmodells ebnen und auf die Existenz zusätzlicher fundamentaler Teilchen und Kräfte hinweisen.