Vor Toulon hängen Glaskugeln an langen Seilen im Mittelmeer. Rund 2.450 Meter unter der Oberfläche warten ihre Sensoren auf kurze Lichtsignale. Manche dieser Signale beginnen mit einem Neutrino, das auf der anderen Seite der Erde in der Atmosphäre entstand. Das Teilchen durchquerte Gestein und löste erst in der Nähe der Kugeln eine Reaktion aus. Aus vielen solcher Signale lässt sich eine Frage stellen, für die man auf den ersten Blick kaum einen Grund am Meeresgrund vermutet. Ändert sich das Verhalten der Neutrinos so, wie es die bekannten Gesetze erwarten lassen? Detektoraufbau der KM3NeT-Kollaboration
Die Kollaboration wertete 5.828 ausgewählte Neutrino-Kandidaten der ersten sechs Detektorstränge von ORCA aus. In der begutachteten Fassung vom 4. November 2026 fand das Team keinen überzeugenden Hinweis auf die untersuchten Abweichungen von einer Grundsymmetrie der Relativität. Dafür konnte es berechnen, wie groß einige dieser Abweichungen höchstens sein dürften. Die Vorabfassung war bereits im März erschienen. Begutachteter Fachartikel · Vorabfassung vom 4. März
Das Gedankenexperiment im Zug
Stell dir einen gleichmäßig fahrenden Zug vor. Du sendest darin einen Lichtblitz aus und misst seine Geschwindigkeit mit deiner Uhr und deinem Maßstab. Eine Person am Bahnsteig, die denselben Blitz mit eigenen Uhren und Maßstäben verfolgt, erhält für Licht im Vakuum denselben Wert. Beide können sich darüber unterscheiden, welche Zeitspanne sie einem Vorgang zuordnen. Die Bewegung des Zugs erzeugt jedoch kein neues Gesetz für die Ausbreitung des Lichts. Einsteins Weg zur speziellen Relativität
Das steckt hinter der Lorentz-Invarianz. Die Gesetze behalten ihre Form, wenn man zwischen gleichförmig bewegten Bezugssystemen wechselt. In der allgemeinen Relativität gilt das lokal, also in einem kleinen frei fallenden Labor, auch wenn die Raumzeit im großen Maßstab gekrümmt ist. Manche Modelle einer tieferen Physik lassen Abweichungen von dieser Symmetrie zu. ORCA suchte nach einer bestimmten Klasse, die in einem bevorzugten Bezugssystem keine Raumrichtung auszeichnet. Das ist mit „isotrop“ gemeint. Einführung und Modell in Abschnitten 1 und 2
Eine Mischung, die sich unterwegs verändert
Wenn kosmische Teilchen auf die Atmosphäre treffen, entstehen in ihren Teilchenschauern unter anderem Neutrinos. Sie sind elektrisch neutral und reagieren so selten mit Materie, dass viele die ganze Erde durchqueren. Bei einer Wechselwirkung können sie sich in drei Arten zeigen, benannt nach Elektron, Myon und Tau. Ein Neutrino, das bei der Entstehung zur Myon-Art gehört, wird durch eine Mischung quantenphysikalischer Zustände mit unterschiedlichen Massen beschrieben. Die zugehörigen Wellen geraten auf dem Weg gegeneinander aus dem Takt. Dadurch ändert sich ihre Überlagerung und mit ihr die Chance, bei einer späteren Wechselwirkung die eine oder andere Art zu erkennen. Das heißt Neutrino-Oszillation. ORCA-Messung der atmosphärischen Oszillation
Für das Muster zählen die Energie und die zurückgelegte Strecke. Auch gewöhnliche Materie kann die Oszillation beeinflussen. Diesen bekannten Effekt berücksichtigen die Modelle. Eine zusätzliche Abweichung von der Lorentz-Symmetrie könnte die berechneten Häufigkeiten wiederum anders verschieben. Ein einzelner Lichtblitz verrät darüber wenig. Viele Kandidaten aus unterschiedlichen Winkeln und Energiebereichen ergeben ein Muster, mit dem sich die Vorhersagen vergleichen lassen. Modell der Ausbreitung und Auswertung in Abschnitten 2 und 5
Was die Kugeln wirklich sehen
Jeder der sechs verwendeten Stränge trug 18 Glaskugeln, jede Kugel enthielt 31 Lichtsensoren. Wenn ein Neutrino im oder nahe dem Messvolumen wechselwirkt, können geladene Folgepartikel entstehen. Bewegen sie sich schneller, als sich Licht im Wasser ausbreitet, erzeugen sie schwaches Tscherenkow-Licht. Die Teilchen bleiben dabei unter der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Welche Kugeln das Licht zu welcher Zeit und mit welcher Stärke registrieren, gibt Hinweise auf Richtung und Energie. Ein Myon kann ein längliches Muster hinterlassen. Andere Wechselwirkungen führen oft zu einem kompakteren Lichtschauer. Die Muster überlappen, deshalb lassen sich nicht alle Neutrinoarten einzeln eindeutig bestimmen. Technik und Ereignisformen in Abschnitten 3 und 4 · Betrieb der ersten sechs Stränge
Für die Analyse blieben 510 Tage nutzbare Messzeit aus dem Zeitraum Januar 2020 bis November 2021. Die Erde half beim Filtern. Ein Myon aus der Atmosphäre kommt kaum quer durch den Planeten. Ein Neutrino kann das in diesem Energiebereich. Das Team wählte deshalb Ereignisse aus, deren rekonstruierte Richtung von unten kam. Zusätzliche Filter reduzierten falsch zugeordnete Myonen und zufällige Lichtsignale. Die Zahl 5.828 bezeichnet die ausgewählten Kandidaten. Ein geringer Anteil an Hintergrundereignissen kann darin noch stecken. Daten und Auswahlkriterien in Abschnitt 4
Was eine winzige Obergrenze aussagt
Die Forschenden fügten dem üblichen Modell der Oszillation rechnerisch jeweils einen möglichen Zusatz hinzu. Einer würde die Umwandlung zwischen Myon- und Tau-Neutrinos beeinflussen. Für seinen Betrag fanden sie eine Obergrenze von 4,8 × 10⁻²⁴ Gigaelektronenvolt bei einem Konfidenzniveau von 95 Prozent. Diese Zahl gehört zum Modellterm. Sie gibt weder die Energie eines Teilchens noch eine gemessene Abweichung an. Für weitere Parameter konnte ORCA Grenzen ableiten, ohne Annahmen über die Mischung der Neutrinoarten an fernen kosmischen Quellen zu benötigen. Abschnitte 6.1 und 6.2, Tabellen 2 und 3
Die kleine Stichprobe passte in einem statistischen Test auch zum Standardmodell weniger gut, als man erwarten würde. Einzelne Zusatzterme verbesserten diese Anpassung kaum. Bei einer späteren größeren Auswertung von ORCA-Daten passte das übliche Oszillationsmodell deutlich besser. Diese Daten überschneiden sich mit denen der sechs Stränge, also ist das keine unabhängige Wiederholung. Unabhängige Suchen mit IceCube am Südpol und Super-Kamiokande in Japan fanden ebenfalls keinen überzeugenden Hinweis auf eine Verletzung. Je nach Energiebereich und Messmethode schränken die Experimente unterschiedliche Parameter besonders gut ein. Abschnitte 6.5 und 6.6 der Facharbeit · IceCube · Super-Kamiokande
GPS, Lichtablenkung und Gravitationswellen prüfen andere Vorhersagen von Einsteins Theorie. Die Kugeln im Mittelmeer fügen dem eine Grenze für bestimmte Modelle hinzu. Wenn sich eine der getesteten Abweichungen in Neutrino-Oszillationen bemerkbar macht, muss sie klein genug sein, um mit den beobachteten Lichtmustern vereinbar zu bleiben. Für andere Arten, die Symmetrie zu verletzen, sind weitere Tests nötig.
