Ein Team des Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italien führt die 30 Jahre alte Gallium-Anomalie auf eine genauere Berechnung der Elektron-Neutrino-Einfangrate zurück. Neue mathematische Modelle erklären das fehlende Neutrinomonopol ohne hypothetische sterile Neutrinos, indem sie die enge Wechselwirkung zwischen dem Atomkern und den leptonischen Wellenfunktionen berücksichtigen.
Die Berechnung der Gallium-Anomalie durch das INFN-Team
Seit mehr als drei Jahrzehnten beschäftigt Physiker ein ungelöstes Rätsel: Gallium-Experimente fangen rund 20 Prozent weniger Elektroneneinfänge ein, als theoretische Modelle vorhersagen. Bisherige Erklärungsversuche stützten sich oft auf unentdeckte physikalische Phänomene oder die Existenz hypothetischer Teilchen. Forscher um Matteo Cadeddu am Istituto Nazionale di Fisica Nucleare und der Universität Cagliari zeigen nun, dass der vermeintliche Neutrinoverlust möglicherweise an einer zu starren mathematischen Vereinfachung in den Standardrechnungen liegt. Die am 24. September 2026 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlichte Studie von Matteo Cadeddu und seinen Kollegen beschreibt einen möglichen Lösungsweg für dieses jahrzehntelange Rätsel.
Bei der Erfassung von Neutrinos durch Galliumkerne wandelt sich ein Neutron in ein Proton um, wodurch aus Gallium Germanium entsteht. Bisher trennten Physiker die Wellenfunktionen des Neutrinos und des Elektrons strikt von der Beschreibung des jeweiligen Kernübergangs.
Warum die Trennung von Kern und Leptonen fehlschlägt
Die aktuelle Analyse der Forschenden widerlegt diese gängige Näherung.
„Der wichtige Punkt ist, dass die räumliche Struktur des Kernübergangs einen direkten Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit des Neutrinoeinfangs haben kann, wenn man den leptonischen und den nuklearen Teil des Prozesses nicht voneinander trennt. Bei einigen physikalisch plausiblen Beschreibungen des Kerns kann dieser Effekt groß genug werden, um die theoretische Vorhersage deutlich zu verändern.“
Nicola Cargioli, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Zudem tasten Elektroneneinfang und Neutrinoeinfang den Kern auf unterschiedliche Weise ab. Während ein Elektron beim Elektroneneinfang in einem gebundenen Zustand startet, entsteht beim Neutrinoeinfang ein freies Elektron. Sobald Forscher die räumliche Veränderung der Elektronenwellenfunktion berücksichtigen, gewichten beide Prozesse die Kernübergangsdichte unterschiedlich. Das Team berechnete diese Wellenfunktionen mithilfe eines relativistischen Dirac-Hartree-Fock-Slater-Verfahrens und koppelte sie direkt an Gamow-Teller-Übergangsdichten.
Um die Rechnungen an verlässliche Messgrößen zu binden, schränkten die Physiker die Dichten so ein, dass sie die präzise gemessene Halbwertszeit von Germanium-71 von 11,465 Tagen exakt reproduzieren.
Auswirkungen auf sterile Neutrinos und zukünftige Experimente
Für mehrere physikalisch plausible Formen der Kernübergangsdichte sinkt die berechnete Neutrinorate um rund 20 Prozent. Diese neuen theoretischen Ergebnisse stimmen laut den veröffentlichten Berichten direkt mit den kombinierten Messungen historischer Gallium-Experimente überein, ohne dass hierfür die Annahme einer Umwandlung in sterile Neutrinos erforderlich ist. Damit verliert eines der bislang führenden Modelle an Plausibilität: Die Existenz sogenannter steriler Neutrinos wird durch den konventionellen kernphysikalischen Erklärungsansatz stark infrage gestellt, zumal zunehmend strengere Experimente die Suche nach diesen Teilchen ohnehin erschwert haben.
Dennoch werten die Autoren ihre Ergebnisse vorerst als Machbarkeitsnachweis. Die verwendeten Kernübergangsdichten hängen stark vom gewählten Modell ab und müssen durch detailliertere mikroskopische Rechnungen überprüft werden. Luca Ferro von der Universität Cagliari betont, dass auch Beiträge von Übergängen in angeregte Zustände des Germaniumkerns künftig neu bewertet werden müssen.
