DREI NEUTRINODETEKTOREN, EIN URTEIL

Neutrinos gibt es in drei Sorten, und unterwegs wandeln sie sich von einer Sorte in eine andere um – sie oszillieren. Atmosphärische Neutrinos waren zentral dafür, dies nachzuweisen und zu zeigen, dass Neutrinos eine Masse haben. Doch eine grundlegende Frage zu diesen Massen ist noch offen: ihre Ordnung. Ist der dritte Massenzustand der schwerste der drei – die „normale“ Ordnung – oder der leichteste, die „invertierte“?

Die Antwort ist über die Neutrinos hinaus wichtig, betonen die Autoren: Sie hängt mit der möglichen „Majorana“-Natur des Neutrinos zusammen, einer tiefen offenen Frage, und sie ist mit kosmologischen Messungen verknüpft, die derzeit die normale Ordnung bevorzugen.

Drei Detektoren, ein Fit

Miaochen Jin und Carlos Argüelles von der Harvard University haben zusammen mit Pablo Fernández-Menéndez (Santiago de Compostela) und Iván Martínez-Soler (Madrid und Durham) die öffentlichen Daten dreier Detektoren kombiniert, die dieselben Neutrinos beobachten:

• Super-Kamiokande, 50.000 Tonnen Wasser in einem japanischen Bergwerk, mit allen Daten aus der Reinwasserphase: 6.511 Beobachtungstage.
• IceCube-DeepCore, der dichte Kern eines Detektors, der in 1.450 bis 2.450 Metern Tiefe im Eis des Südpols vergraben ist: 8 Jahre Daten.
• KM3NeT/ORCA, noch im Aufbau im Mittelmeer, mit seinen ersten sechs Detektionslinien: 510 Tage und 5.828 Ereignisse.

Frühere Kombinationen addierten einfach die veröffentlichten Ergebnisse. Hier werden alle Ereignisstichproben auf einmal angepasst. Da die drei Detektoren denselben Neutrinofluss sehen, der mit demselben Wasser wechselwirkt, teilen sie sich die Unsicherheiten über diesen Fluss und diese Wechselwirkungen. Die große Statistik eines Experiments hilft dann, Fehler einzugrenzen, die sonst die Ergebnisse eines anderen verwischen würden.

Nebenbei fand das Team einen Fehler (Bug) in der öffentlichen Datenveröffentlichung von Super-Kamiokande. Die Kollaboration bestätigte ihn und stellte eine korrigierte Version bereit, die hier bereits vor ihrer öffentlichen Freigabe verwendet wurde.

Oben: erlaubte Bereiche für zwei Oszillationsparameter nach jedem Detektor und nach der Kombination (schwarz). Unten: das beobachtete Ergebnis (schwarze Linie) im Vergleich mit Tausenden simulierter Experimente, die die normale (blau) oder die invertierte (orange) Ordnung annehmen. — Abbildung 1, Jin, Argüelles, Fernández-Menéndez & Martínez-Soler (2026), arXiv:2610.12208, CC BY 4.0.

Jeder Hinweis zählt

Für sich genommen neigt jeder Detektor nur leicht zur normalen Ordnung. Kombiniert wird die Präferenz deutlich: Unter der invertierten Ordnung ist der Fit um 11,0 Einheiten der Teststatistik schlechter. Um daraus eine Wahrscheinlichkeit zu machen, simulierte das Team 4.397 Pseudoexperimente in einem Universum mit invertierter Ordnung. Nur 2 lieferten ein so extremes Ergebnis wie die echten Daten. Die invertierte Ordnung ist mit 99,95 % Konfidenz, also 3,3 Sigma, ausgeschlossen.

Woher kommt das Signal? Neutrinos mit 2 bis 10 Milliarden Elektronenvolt, die den Erdmantel und den Erdkern durchqueren, wandeln sich je nach Ordnung unterschiedlich um. Bei normaler Ordnung verstärkt die durchquerte Materie die Umwandlung von Neutrinos statt von Antineutrinos, und alle drei Detektoren reagieren gemeinsam auf diese Verstärkung.

Präzision gratis dazu

Derselbe Fit misst weitere Neutrinoeigenschaften ganz ohne Teilchenbeschleuniger:

• die Massendifferenz, die diese Oszillationen antreibt, auf 2,2 % genau, und einen Mischungswinkel auf 6,1 %, was die Autoren als konkurrenzfähig mit Beschleunigerexperimenten bezeichnen;
• einen Mischungswinkel, der mit dem größtmöglichen Wert vereinbar ist;
• eine Einschränkung der CP-verletzenden Phase – einer Größe, die mit dem Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie zusammenhängt –, die sich auf keinerlei Strahlexperiment stützt.

Noch keine Entdeckung

Das Ergebnis kommt mit mehreren Vorbehalten. Es ist eine unabhängige Neuanalyse öffentlicher Daten, kein offizielles Ergebnis der drei Kollaborationen. Ein konservativeres statistisches Kriterium senkt die Signifikanz auf 2,55 Sigma. Die Gesamtgüte des Fits ist mittelmäßig (eine Wahrscheinlichkeit von 0,011), bedingt durch die ORCA-Daten, und die drei Datensätze zeigen untereinander eine leichte Spannung von 2,2 Sigma. Die Autoren geben an, dass KI-Werkzeuge, die sie nicht nennen, bei der Erstellung des Manuskripts, der Grafiken und des Codes geholfen haben.

Ihr Ausblick: Nähme man das Reaktorexperiment JUNO zu diesen atmosphärischen Daten hinzu, könnte die Antwort nach ihrer groben Schätzung nahe an 4 Sigma heranrücken – eine Zahl, die, wie sie sagen, noch eine vollständige gemeinsame Simulation erfordert. „Die normale Ordnung zeichnet sich ab“, schreiben sie.