Ein Neutrino ist ein Elementarteilchen, das einem Elektron sehr ähnlich ist, aber keine elektrische Ladung trägt. Es hat eine sehr kleine Masse, die sogar Null sein kann. Die Geschwindigkeit des Neutrinos hängt auch von der Masse ab. Der Unterschied in der Ankunftszeit von Teilchen und Licht beträgt 0,0006 % (± 0,0012 %). Im Jahr 2011 wurde während des OPERA-Experiments festgestellt, dass die Geschwindigkeit von Neutrinos die Lichtgeschwindigkeit übersteigt, aber unabhängige Erfahrungen haben dies nicht bestätigt.
Das schwer fassbare Teilchen
Dies ist eines der häufigsten Teilchen im Universum. Da es sehr wenig mit Materie interagiert, ist es unglaublich schwer zu entdecken. Elektronen und Neutrinos nehmen nicht an starken Kernwechselwirkungen teil, sind aber gleichermaßen an schwachen beteiligt. Teilchen mit diesen Eigenschaften werden Leptonen genannt. Zu den geladenen Leptonen gehören neben dem Elektron (und seinem Antiteilchen, dem Positron), das Myon (200 Elektronenmassen), das Tau (3500 Elektronenmassen) und ihre Antiteilchen. Sie heißen so: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Sie haben jeweils eine anti-materielle Komponente namens Antineutrino.
Muon und Tau haben wie ein Elektron Teilchen, die sie begleiten. Dies sind Myon- und Tau-Neutrinos. Die drei Arten von Partikeln unterscheiden sich voneinander. Wenn beispielsweise Myon-Neutrinos mit einem Ziel interagieren, erzeugen sie immer Myonen, niemals Tau oder Elektronen. Bei der Wechselwirkung von Teilchen können Elektronen und Elektron-Neutrinos zwar erzeugt und zerstört werden, ihre Summe bleibt jedoch unverändert. Diese Tatsache führt zur Unterteilung von Leptonen in drei Typen, von denen jeder ein geladenes Lepton und ein begleitendes Neutrino hat.
Sehr große und extrem empfindliche Detektoren werden benötigt, um dieses Teilchen nachzuweisen. Typischerweise legen niederenergetische Neutrinos viele Lichtjahre zurück, bevor sie mit Materie interagieren. Folglich beruhen alle bodengestützten Experimente mit ihnen darauf, dass ihr kleiner Anteil gemessen wird, der mit Rekordern angemessener Größe interagiert. Am Sudbury Neutrino Observatory beispielsweise, das 1000 Tonnen schweres Wasser enthält, passieren etwa 1012 Sonnenneutrinos pro Sekunde den Detektor. Und nur 30 pro Tag werden gefunden.
Discovery-Verlauf
Wolfgang Pauli postulierte erstmals 1930 die Existenz eines Teilchens. Ein Problem entstand damals, weil es schien, dass Energie und Drehimpuls beim Beta-Zerfall nicht erh alten blieben. Aber Pauli bemerkte, dass, wenn ein nicht wechselwirkendes neutrales Neutrinoteilchen emittiert wird, das Energieerh altungsgesetz eingeh alten wird. Der italienische Physiker Enrico Fermi entwickelte 1934 die Theorie des Beta-Zerfalls und gab dem Teilchen seinen Namen.
Trotz aller Vorhersagen konnten Neutrinos wegen ihrer schwachen Wechselwirkung mit Materie 20 Jahre lang nicht experimentell nachgewiesen werden. Da die Teilchen nicht elektrisch sindgeladen, werden sie nicht von elektromagnetischen Kräften beeinflusst und verursachen daher keine Ionisation von Materie. Außerdem reagieren sie mit Materie nur durch schwache Wechselwirkungen vernachlässigbarer Stärke. Daher sind sie die durchdringendsten subatomaren Teilchen, die eine große Anzahl von Atomen passieren können, ohne eine Reaktion hervorzurufen. Nur 1 von 10 Milliarden dieser Teilchen, die durch Materie eine Entfernung gleich dem Durchmesser der Erde zurücklegen, reagiert mit einem Proton oder Neutron.
Im Jahr 1956 gab schließlich eine Gruppe amerikanischer Physiker unter der Leitung von Frederick Reines die Entdeckung des Elektron-Antineutrinos bekannt. In ihren Experimenten interagierten Antineutrinos, die von einem Kernreaktor emittiert wurden, mit Protonen, um Neutronen und Positronen zu bilden. Die einzigartigen (und seltenen) Energiesignaturen dieser neuesten Nebenprodukte belegen die Existenz des Teilchens.
Die Entdeckung geladener Myon-Leptonen wurde zum Ausgangspunkt für die anschließende Identifizierung der zweiten Art von Neutrinos - Myonen. Ihre Identifizierung erfolgte 1962 anhand der Ergebnisse eines Experiments in einem Teilchenbeschleuniger. Hochenergetische myonische Neutrinos wurden durch den Zerfall von Pi-Mesonen erzeugt und so zum Detektor geschickt, dass ihre Reaktionen mit Materie untersucht werden konnten. Obwohl sie wie andere Arten dieser Teilchen nicht reaktiv sind, wurde festgestellt, dass Myon-Neutrinos in den seltenen Fällen, in denen sie mit Protonen oder Neutronen reagieren, Myonen, aber niemals Elektronen bilden. 1998 die amerikanischen Physiker Leon Lederman, Melvin Schwartz und Jack Steinbergererhielt den Nobelpreis für Physik für die Identifizierung des Myon-Neutrinos.
Mitte der 1970er Jahre wurde die Neutrinophysik durch eine andere Art geladener Leptonen ergänzt - Tau. Es stellte sich heraus, dass das Tau-Neutrino und das Tau-Antineutrino mit diesem dritten geladenen Lepton assoziiert sind. Im Jahr 2000 Physiker am National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi berichtete über den ersten experimentellen Beweis für die Existenz dieser Art von Teilchen.
Masse
Alle Arten von Neutrinos haben eine viel geringere Masse als ihre geladenen Gegenstücke. Experimente zeigen beispielsweise, dass die Elektron-Neutrino-Masse weniger als 0,002 % der Elektronmasse betragen muss und dass die Summe der Massen der drei Spezies weniger als 0,48 eV betragen muss. Viele Jahre lang schien die Masse eines Teilchens null zu sein, obwohl es keinen überzeugenden theoretischen Beweis dafür gab, warum dies so sein sollte. Dann, im Jahr 2002, lieferte das Sudbury Neutrino Observatory den ersten direkten Beweis dafür, dass Elektron-Neutrinos, die durch Kernreaktionen im Sonnenkern emittiert werden, ihren Typ ändern, wenn sie ihn durchqueren. Solche "Oszillationen" von Neutrinos sind möglich, wenn eine oder mehrere Arten von Teilchen eine kleine Masse haben. Ihre Studien zur Wechselwirkung kosmischer Strahlung in der Erdatmosphäre weisen ebenfalls auf das Vorhandensein von Masse hin, aber weitere Experimente sind erforderlich, um sie genauer zu bestimmen.
Quellen
Natürliche Quellen von Neutrinos sind der radioaktive Zerfall von Elementen in den Eingeweiden der Erde, in denenein großer Strom niederenergetischer Elektronen-Antineutrinos wird emittiert. Supernovae sind auch überwiegend ein Neutrino-Phänomen, da nur diese Teilchen die superdichte Materie durchdringen können, die in einem kollabierenden Stern entsteht; nur ein kleiner Teil der Energie wird in Licht umgewandelt. Berechnungen zeigen, dass etwa 2 % der Sonnenenergie die Energie von Neutrinos ist, die bei thermonuklearen Fusionsreaktionen erzeugt werden. Es ist wahrscheinlich, dass der größte Teil der Dunklen Materie im Universum aus Neutrinos besteht, die während des Urknalls entstanden sind.
Physikalische Probleme
Die mit Neutrinos und Astrophysik verbundenen Gebiete sind vielfältig und entwickeln sich schnell. Die aktuellen Fragen, die eine große Anzahl experimenteller und theoretischer Bemühungen hervorrufen, lauten wie folgt:
- Welche Massen haben verschiedene Neutrinos?
- Wie beeinflussen sie die Urknall-Kosmologie?
- Oszillieren sie?
- Können sich Neutrinos eines Typs in einen anderen verwandeln, wenn sie durch Materie und Raum reisen?
- Unterscheiden sich Neutrinos grundlegend von ihren Antiteilchen?
- Wie kollabieren Sterne und bilden Supernovae?
- Welche Rolle spielen Neutrinos in der Kosmologie?
Eines der seit langem bestehenden Probleme von besonderem Interesse ist das sogenannte solare Neutrino-Problem. Dieser Name bezieht sich auf die Tatsache, dass bei mehreren bodengestützten Experimenten, die in den letzten 30 Jahren durchgeführt wurden, immer weniger Partikel beobachtet wurden, als zur Erzeugung von Sonnenenergie benötigt wurden. Eine ihrer möglichen Lösungen ist die Oszillation, also die Umwandlung von ElektronikNeutrinos in Myonen oder Tau, während sie zur Erde reisen. Da es viel schwieriger ist, niederenergetische Myon- oder Tau-Neutrinos zu messen, könnte diese Art der Transformation erklären, warum wir auf der Erde nicht die richtige Anzahl von Teilchen beobachten.
Vierter Nobelpreis
Der Nobelpreis für Physik 2015 wurde an Takaaki Kajita und Arthur McDonald für ihre Entdeckung der Neutrinomasse verliehen. Dies war die vierte derartige Auszeichnung im Zusammenhang mit experimentellen Messungen dieser Partikel. Manche fragen sich vielleicht, warum wir uns so sehr um etwas kümmern sollten, das kaum mit gewöhnlicher Materie interagiert.
Die bloße Tatsache, dass wir diese vergänglichen Partikel entdecken können, ist ein Beweis für den menschlichen Einfallsreichtum. Da die Regeln der Quantenmechanik probabilistisch sind, wissen wir, dass, obwohl fast alle Neutrinos die Erde passieren, einige von ihnen mit ihr interagieren werden. Ein Detektor, der groß genug ist, um dies zu erkennen.
Das erste derartige Gerät wurde in den sechziger Jahren tief in einer Mine in South Dakota gebaut. Die Mine war mit 400.000 Litern Reinigungsflüssigkeit gefüllt. Im Durchschnitt interagiert jeden Tag ein Neutrino-Teilchen mit einem Chloratom und verwandelt es in Argon. Unglaublicherweise fand Raymond Davis, der für den Detektor verantwortlich war, einen Weg, diese wenigen Argonatome nachzuweisen, und vier Jahrzehnte später, im Jahr 2002, wurde ihm für diese erstaunliche technische Leistung der Nobelpreis verliehen.
Neue Astronomie
Weil Neutrinos so schwach wechselwirken, können sie große Entfernungen zurücklegen. Sie geben uns die Möglichkeit, an Orte zu schauen, die wir sonst nie sehen würden. Die von Davis entdeckten Neutrinos wurden durch Kernreaktionen produziert, die genau im Zentrum der Sonne stattfanden, und konnten diesem unglaublich dichten und heißen Ort nur entkommen, weil sie kaum mit anderer Materie interagieren. Es ist sogar möglich, ein Neutrino zu entdecken, das vom Zentrum eines explodierenden Sterns über hunderttausend Lichtjahre von der Erde entfernt fliegt.
Außerdem ermöglichen diese Teilchen, das Universum in einem sehr kleinen Maßstab zu beobachten, viel kleiner als das, was der Large Hadron Collider in Genf, der das Higgs-Boson entdeckt hat, untersuchen kann. Aus diesem Grund hat das Nobelkomitee beschlossen, den Nobelpreis für die Entdeckung einer weiteren Art von Neutrinos zu verleihen.
Mysteriös vermisst
Als Ray Davis solare Neutrinos beobachtete, fand er nur ein Drittel der erwarteten Zahl. Die meisten Physiker glaubten, der Grund dafür sei eine geringe Kenntnis der Astrophysik der Sonne: Vielleicht überschätzten Modelle des Inneren des Sterns die Anzahl der darin produzierten Neutrinos. Doch im Laufe der Jahre, auch als sich die Solarmodelle verbesserten, blieb der Mangel bestehen. Physiker machten auf eine andere Möglichkeit aufmerksam: Das Problem könnte mit unserem Verständnis dieser Teilchen zusammenhängen. Nach der damals vorherrschenden Theorie hatten sie keine Masse. Einige Physiker haben jedoch argumentiert, dass die Teilchen tatsächlich ein Infinitesimal warenMasse, und diese Masse war der Grund für ihren Mangel.
Partikel mit drei Gesichtern
Nach der Theorie der Neutrino-Oszillationen gibt es in der Natur drei verschiedene Arten von Neutrinos. Wenn ein Teilchen Masse hat, kann es sich während seiner Bewegung von einem Typ zum anderen ändern. Drei Arten – Elektron, Myon und Tau – können bei Wechselwirkung mit Materie in das entsprechende geladene Teilchen (Elektron, Myon oder Tau-Lepton) umgewandelt werden. "Oszillation" entsteht aufgrund der Quantenmechanik. Die Art des Neutrinos ist nicht konstant. Es ändert sich im Laufe der Zeit. Ein Neutrino, das seine Existenz als Elektron begann, kann sich in ein Myon verwandeln und dann wieder zurück. So kann sich ein im Kern der Sonne gebildetes Teilchen auf seinem Weg zur Erde periodisch in ein Myon-Neutrino verwandeln und umgekehrt. Da der Davis-Detektor nur Elektron-Neutrinos nachweisen konnte, die zur nuklearen Umwandlung von Chlor in Argon führen konnten, schien es möglich, dass sich die fehlenden Neutrinos in andere Typen verwandelt hatten. (Wie sich herausstellt, oszillieren Neutrinos im Inneren der Sonne, nicht auf ihrem Weg zur Erde.)
Kanadisches Experiment
Die einzige Möglichkeit, dies zu testen, bestand darin, einen Detektor zu bauen, der für alle drei Arten von Neutrinos funktionierte. Seit den 1990er Jahren leitet Arthur McDonald von der Queen's Ontario University das Team, das dies in einer Mine in Sudbury, Ontario, durchführte. Die Anlage enthielt Tonnen von schwerem Wasser, die von der kanadischen Regierung geliehen wurden. Schweres Wasser ist eine seltene, aber natürlich vorkommende Form von Wasser, in der Wasserstoff, der ein Proton enthält,durch sein schwereres Isotop Deuterium ersetzt, das ein Proton und ein Neutron enthält. Die kanadische Regierung hat schweres Wasser gelagert, weil es als Kühlmittel in Kernreaktoren verwendet wird. Alle drei Arten von Neutrinos konnten Deuterium zerstören, um ein Proton und ein Neutron zu bilden, und die Neutronen wurden dann gezählt. Der Detektor registrierte etwa dreimal so viele Teilchen im Vergleich zu Davis – genau die Zahl, die von den besten Modellen der Sonne vorhergesagt wurde. Dies legte nahe, dass das Elektron-Neutrino in seine anderen Typen oszillieren könnte.
Japanisches Experiment
Ungefähr zur gleichen Zeit führte Takaaki Kajita von der Universität Tokio ein weiteres bemerkenswertes Experiment durch. Ein in einer Mine in Japan installierter Detektor registrierte Neutrinos, die nicht aus dem Inneren der Sonne, sondern aus der oberen Atmosphäre stammten. Wenn Protonen der kosmischen Strahlung mit der Atmosphäre kollidieren, werden Schauer anderer Teilchen gebildet, einschließlich Myon-Neutrinos. In der Mine verwandelten sie Wasserstoffkerne in Myonen. Der Kajita-Detektor konnte Partikel aus zwei Richtungen kommen sehen. Einige fielen von oben aus der Atmosphäre, während andere sich von unten bewegten. Die Anzahl der Teilchen war unterschiedlich, was auf ihre unterschiedliche Natur hinweist - sie befanden sich an verschiedenen Punkten ihrer Schwingungszyklen.
Revolution in der Wissenschaft
Es ist alles exotisch und erstaunlich, aber warum ziehen Oszillationen und Neutrinomassen so viel Aufmerksamkeit auf sich? Der Grund ist einfach. Im Standardmodell der Teilchenphysik, das in den letzten fünfzig Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts entwickelt wurde,was alle anderen Beobachtungen in Beschleunigern und anderen Experimenten korrekt beschrieb, sollten Neutrinos masselos sein. Die Entdeckung der Neutrinomasse legt nahe, dass etwas fehlt. Das Standardmodell ist nicht vollständig. Die fehlenden Elemente müssen noch entdeckt werden, entweder durch den Large Hadron Collider oder eine andere noch zu erstellende Maschine.
