5828 Neutrinos, 2450 m Meerestiefe: Physiker testen Einsteins Theorie

Forschende haben tief im Mittelmeer nach winzigen Abweichungen von Einsteins Relativitätstheorie gesucht. Dafür werteten sie 5828 Neutrino-Kandidaten aus. Das Ergebnis setzt der Suche nach einer neuen Physik engere Grenzen.

Rund 40 km vor der französischen Küste steht ein ungewöhnliches Teleskop. Es richtet sich nicht auf Sterne oder Galaxien, sondern registriert Lichtblitze tief im Mittelmeer. Die Sensoren befinden sich rund 2450 m unter der Wasseroberfläche. Hier suchen Forschende nach Hinweisen darauf, dass eine grundlegende Annahme von Einsteins Relativitätstheorie möglicherweise nicht immer gilt.

Die internationale KM3NeT-Kollaboration hat dafür die Daten von 5828 Neutrino-Kandidaten untersucht. Dabei handelt es sich um nahezu masselose Elementarteilchen, die sogar die Erde durchqueren können.

Die Forschenden fanden keine Hinweise auf eine Abweichung von der bekannten Physik. Trotzdem ist die Untersuchung bemerkenswert: Mit nur sechs Detektionseinheiten konnten sie bestimmte theoretisch mögliche Effekte so stark eingrenzen, dass ihre Ergebnisse bei einzelnen Parametern mit denen erheblich größerer Experimente konkurrieren. Die Studie wurde im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) veröffentlicht. Eine Vorabfassung lag bereits im März 2026 vor.

Was hat das mit Einstein zu tun?

Im Mittelpunkt steht die sogenannte Lorentz-Invarianz. Sie gehört zu den Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie und besagt vereinfacht: Die physikalischen Gesetze haben für Beobachter, die sich gleichförmig zueinander bewegen, dieselbe Form. Das bedeutet beispielsweise, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unabhängig von der gleichförmigen Bewegung des Beobachters denselben Wert besitzt.

Dieses Prinzip hat zahlreiche experimentelle Prüfungen bestanden. Trotzdem suchen Physikerinnen und Physiker weiter nach möglichen Abweichungen. Der Grund liegt in einer der größten offenen Fragen der modernen Physik: Wie lassen sich die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik miteinander vereinbaren?

Einige theoretische Ansätze gehen davon aus, dass Raum und Zeit auf extrem kleinen Skalen anders beschaffen sein könnten als bisher angenommen. Möglicherweise besitzen sie eine diskrete Struktur, statt kontinuierlich zu sein. Bestimmte Modelle erlauben dadurch winzige Verletzungen der Lorentz-Invarianz.

„Wir wissen immer noch nicht, ob unsere Raumzeit kontinuierlich ist oder vielleicht diskret“, erklärt Alba Domi vom Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in der begleitenden Pressemitteilung zur Studie.

Mit der Frage, wie sich Gravitation und Quantenphysik verbinden lassen, beschäftigt sich auch unser Beitrag Dem großen Widerspruch der Schwerkraft auf der Spur.

Warum Neutrinos dafür besonders geeignet sind

Neutrinos besitzen keine elektrische Ladung und reagieren nur äußerst selten mit Materie. Deshalb können sie enorme Entfernungen zurücklegen. Selbst die Erde ist für viele dieser Teilchen nahezu durchsichtig. Noch interessanter ist eine zweite Eigenschaft: Neutrinos können während ihrer Reise ihren Typ verändern. Aus einem Myon-Neutrino kann beispielsweise ein Tau-Neutrino werden. Physiker nennen diesen Vorgang Neutrino-Oszillation.

Wie häufig solche Umwandlungen auftreten, hängt unter anderem von der Energie der Teilchen und ihrer zurückgelegten Strecke ab. Die Wahrscheinlichkeiten lassen sich berechnen. Sollte die Lorentz-Invarianz in bestimmten Situationen verletzt sein, könnten sich diese Umwandlungen geringfügig anders verhalten als vorhergesagt. Die Forschenden untersuchten deshalb, ob die gemessenen Energien und Ankunftsrichtungen der Neutrinos zu den bekannten physikalischen Modellen passen.

Wie ein Teleskop in 2450 m Tiefe funktioniert

Für die Untersuchung nutzte das Team den Detektor ORCA. Er gehört zum internationalen Forschungsprojekt KM3NeT, das mehrere große Neutrinodetektoren im Mittelmeer aufbaut. ORCA besteht aus langen, am Meeresgrund verankerten Detektionseinheiten. Jede trägt 18 optische Module, in denen jeweils 31 besonders empfindliche Lichtsensoren untergebracht sind.

Wenn ein Neutrino im Meerwasser mit Materie wechselwirkt, können elektrisch geladene Teilchen entstehen. Diese bewegen sich unter Umständen schneller durch das Wasser als Licht in diesem Medium. Dabei senden sie schwache Lichtblitze aus, sogenannte Tscherenkow-Strahlung. Die Sensoren registrieren diese Signale. Aus ihrer räumlichen und zeitlichen Verteilung lässt sich unter anderem rekonstruieren, aus welcher Richtung das Neutrino kam und welche Energie es ungefähr besaß.

ORCA im Überblick

Die Messdaten stammen aus den Jahren 2020 und 2021. Die Anlage befand sich damals noch in einer frühen Ausbaustufe. Für die Auswertung nutzt ORCA einen weiteren Vorteil: Die Erde dient als natürliche Abschirmung. Die Forschenden wählen vor allem Teilchenereignisse aus, deren rekonstruierte Flugrichtung von unten in den Detektor führt.

Neutrinos können auf diesem Weg das Erdinnere durchqueren. Andere Teilchen, insbesondere die in der Atmosphäre entstehenden Myonen, werden dagegen weitgehend aufgehalten. Zusätzliche Auswerteverfahren helfen, verbleibende Störsignale auszusortieren. So entsteht eine Datenbasis, mit der sich die Eigenschaften der Neutrinos untersuchen lassen.

Was die 5828 Ereignisse tatsächlich verraten

Die Forschenden wollten wissen, ob sich Neutrinos tatsächlich so verhalten, wie es die bekannte Physik vorhersagt. Dazu verglichen sie ihre Messungen mit verschiedenen Berechnungen. Hinweise darauf, dass die Lorentz-Invarianz verletzt wird, fanden sie nicht. Ganz ausschließen lassen sich solche Abweichungen damit allerdings nicht. Die Ergebnisse zeigen aber, wie klein bestimmte Effekte höchstens sein dürfen, damit sie mit den Messdaten vereinbar bleiben.

Besonders aufschlussreich ist das für Myon- und Tau-Neutrinos. Diese Teilchen können sich während ihrer Reise ineinander umwandeln. Die Forschenden konnten erstmals bestimmte mögliche Abweichungen bei diesen Umwandlungen direkt eingrenzen. Dafür mussten sie nicht wissen, in welchem Verhältnis die verschiedenen Neutrino-Typen ursprünglich von weit entfernten Quellen im Weltall ausgesendet werden. Die Untersuchung ergänzt damit frühere Messungen anderer Neutrinoteleskope.

Bemerkenswert ist vor allem die Leistungsfähigkeit des noch kleinen ORCA-Detektors. Bei bestimmten untersuchten Parametern erreichen die Messgrenzen bereits ein Niveau, das mit Ergebnissen von IceCube in der Antarktis und Super-Kamiokande in Japan vergleichbar ist.

„Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial von KM3NeT/ORCA, grundlegende Prinzipien der Physik zu überprüfen – selbst mit einem relativ kleinen Detektor“, sagt Lukas Hennig, Doktorand am ECAP und einer der korrespondierenden Autoren, in der Pressemitteilung zur Studie.

Was bedeutet das für Einsteins Relativitätstheorie?

Die Ergebnisse sind mit der Lorentz-Invarianz vereinbar. Die Forschenden konnten aber nur bestimmte Formen einer möglichen Verletzung untersuchen. Eine vollständige Bestätigung aller Aussagen der Relativitätstheorie ist damit nicht verbunden.

Für theoretische Modelle einer neuen Physik sind solche Messungen dennoch wichtig. Sie zeigen, wie groß bestimmte Abweichungen höchstens sein dürfen, ohne im Widerspruch zu den Beobachtungsdaten zu stehen.

Andere Experimente verfolgen ähnliche Fragestellungen mit unterschiedlichen Methoden. Ein Beispiel ist ein extrem energiereiches Photon, dessen mögliche Herkunft und Ausbreitung Fragen zur bekannten Physik aufwerfen. Während dort die Ausbreitung hochenergetischer Lichtteilchen untersucht wird, nutzt ORCA Veränderungen zwischen verschiedenen Neutrino-Typen.

Was der größere Detektor künftig leisten soll

ORCA wird weiter ausgebaut. Mit mehr Detektionseinheiten und längeren Messzeiten sollen künftig auch kleinere mögliche Abweichungen untersucht werden können. Zum KM3NeT-Projekt gehört außerdem der Detektor ARCA vor der Küste Siziliens. Er liegt in rund 3500 m Tiefe und konzentriert sich auf besonders energiereiche Neutrinos aus dem Weltall.

Solche Teilchen sind für die Suche nach neuer Physik interessant, weil bestimmte hypothetische Effekte bei hohen Energien und großen zurückgelegten Entfernungen stärker hervortreten könnten.

Allerdings verfügen die Forschenden nach eigenen Angaben noch nicht über genügend astrophysikalische Neutrino-Ereignisse für eine vergleichbare Analyse mit ARCA. Dass die Anlage außergewöhnliche Teilchen registrieren kann, zeigt bereits der Nachweis eines Neutrinos mit einer geschätzten Energie von rund 220 PeV.

Quellen

• KM3NeT-Kollaboration: Atmospheric neutrino constraints on Lorentz invariance violation with the first six detection units of KM3NeT/ORCA – Originalstudie, JCAP11(2026)012
• Originalstudie im Volltext, arXiv, 4. März 2026
• KM3NeT: Lorentz invariance – offizielle Vorstellung der Untersuchung, 10. März 2026
• KM3NeT: Wissenschaftliche Publikationen und aktuelle Forschung