Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr kleiner Masse. Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik existieren drei Neutrinos: das Elektron-Neutrino, das Myon-Neutrino und das Tau-Neutrino. Der Name Neutrino wurde von Enrico Fermi für das zuerst entdeckte Elektron-Neutrino vorgeschlagen und bedeutet (entsprechend der italienischen Verkleinerungsform ino) kleines Neutron.
In Stößen der Neutrinos mit Materie finden, anders als bei den anderen bekannten Elementarteilchen, nur Prozesse der schwachen Wechselwirkung statt. Ein Strom von Neutrinos geht daher auch durch große Schichtdicken – z. B. durch die ganze Erde – fast ungeschwächt hindurch. Entsprechend schwierig ist der Nachweis von Neutrinos in Experimenten.
Es sind drei Generationen von Leptonen bekannt. Jede davon besteht aus einem elektrisch geladenen Teilchen – Elektron, Myon oder Tauon – und jeweils einem elektrisch neutralen Neutrino: Elektron-Neutrino (
), Myon-Neutrino (
) bzw. Tau- oder Tauon-Neutrino (
). Hinzu kommen die entsprechenden sechs Antiteilchen.
Alle Leptonen haben eine schwache Ladung und Spin ½.
Die Anzahl der Neutrinoarten mit einer Masse, die kleiner als die halbe Masse des Z-Bosons ist, wurde in Präzisionsexperimenten u. a. am L3-Detektor am CERN zu genau drei bestimmt.
Es gibt Hinweise auf einen neutrinolosen doppelten Betazerfall. Dies würde bedeuten, dass entweder die Erhaltung der Leptonenzahl verletzt oder das Neutrino sein eigenes Antiteilchen wäre. In der quantenfeldtheoretischen Beschreibung hieße dies, dass das Neutrinofeld kein Dirac-Spinor, sondern ein Majorana-Spinor wäre, im Widerspruch zum jetzigen Standardmodell.
Die Physiker Lee und Yang gaben den Anstoß für ein Experiment zur Untersuchung der Spins von Neutrinos und Antineutrinos. Dieses wurde 1956 von Chien-Shiung Wu ausgeführt und brachte das Ergebnis, dass die Paritätserhaltung nicht ausnahmslos gilt: Das Neutrino erwies sich als „Linkshänder“, es rotiert in Bezug auf seine Bewegungsrichtung gegen den Uhrzeigersinn (siehe Helizität). Damit wird eine objektive Erklärung von links und rechts möglich. Im Bereich der schwachen Wechselwirkung muss demnach beim Übergang von einem Teilchen zu seinem Antiteilchen nicht nur die elektrische Ladung, sondern auch die Parität, also der Spin, vertauscht werden. Die schwache Wechselwirkung unterscheidet sich also von der elektromagnetischen Wechselwirkung durch die Verknüpfung der schwachen Ladung mit der Rechts- oder Links-Händigkeit eines Teilchens. Bei den Leptonen und Quarks haben nur die linkshändigen Teilchen und ihre rechtshändigen Antiteilchen eine schwache Ladung. Dagegen sind die rechtshändigen Teilchen und ihre linkshändigen Antiteilchen gegenüber der schwachen Ladung neutral. Teilchen mit schwacher Ladung können aus dem Vakuum auftauchen und wieder verschwinden. Man bezeichnet dieses Phänomen als spontane (Spiegel-) Symmetriebrechung.
Im heutigen Standardmodell der Teilchenphysik haben Neutrinos keine Masse. Es gibt Erweiterungen des Standardmodells und auch einige Große Vereinheitlichte Theorien, die eine von null verschiedene Masse vorhersagen.
Experimente zur Bestimmung der Neutrinomasse zerfallen in drei Gruppen:
Alle publizierten Ergebnisse werden von der Particle Data Group bewertet und fließen in die jährlich veröffentlichten Review of Particle Physics ein.
Direkte Messungen des Endpunktes des Betaspektrums von Tritium konnten bis 2006 die mögliche Masse der Elektron-Neutrinos mit 2 eV/c² nach oben einschränken.[1] Eine bessere Obergrenze erhofft man sich durch noch genauere Messungen des KATRIN-Experiments am Karlsruher Institut für Technologie, das eine Obergrenze von 0,2 eV/c² erreichen soll. Die bisherigen Messungen konnten nicht ausschließen, dass Elektron-Neutrinos masselos sind, und ohne eine Verbesserung der Messgenauigkeit um mehrere Größenordnungen wird dies auch nicht erwartet.
Die Beobachtung von Neutrino-Oszillationen ist eine indirekte Messung von Massendifferenzen zwischen verschiedenen Neutrinos. Sie belegen, dass Neutrinos tatsächlich eine (im Vergleich zu den assoziierten geladenen Leptonen) sehr kleine, von null verschiedene Ruhemasse besitzen. Die so erhaltenen sehr kleinen Massendifferenzen bedeuten auch, dass die obige Massengrenze für Elektron-Neutrinos zugleich die Grenze für alle Arten von Neutrinos ist.
Der dritte Zugang zur Bestimmung der Neutrinomassen basiert auf der Beobachtung der Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung durch WMAP und anderen Beobachtungen, die die Parameter des Lambda-CDM-Modells, dem heutigen Standardmodell der Kosmologie, bestimmen. Durch den Einfluss, den Neutrinos auf die Strukturbildung im Universum und auf die primordiale Nukleosynthese haben, kann (Stand 2007) als Obergrenze für die Summe der drei Neutrinomassen 0,2 eV/c² angenommen werden.[2][3]
Aufgrund ihrer geringen Masse wird erwartet, dass in teilchenphysikalischen Prozessen erzeugte Neutrinos sich mit nahezu Vakuumlichtgeschwindigkeit bewegen. In mehreren Experimenten wurde die Geschwindigkeit von Neutrinos vermessen und eine Übereinstimmung innerhalb der Messgenauigkeit mit der theoretischen Vorhersage beobachtet.
Die Messung der Neutrinomasse, Neutrinogeschwindigkeit und Neutrinooszillationen stellen darüber hinaus Möglichkeiten dar, um die Gültigkeit der Lorentzinvarianz der speziellen Relativitätstheorie zu überprüfen. Messergebnisse des OPERA-Experimentes im Jahr 2011, nach denen sich Neutrinos mit Überlichtgeschwindigkeit bewegt haben sollten, waren möglicherweise durch technische Probleme verursacht worden. Eine neue Messung durch ICARUS hat Übereinstimmung mit der Lichtgeschwindigkeit ergeben, wodurch das OPERA-Resultat mit großer Wahrscheinlichkeit widerlegt ist.
Die Durchdringungsfähigkeit hängt von der Energie der Neutrinos ab. Mit zunehmender Energie nimmt der Wirkungsquerschnitt der Neutrinos zu und die Mittlere freie Weglänge entsprechend ab.
Beispiel: Bei 1000 TeV Energie beträgt die mittlere freie Weglänge der Neutrinos in der Erde etwa einen Erddurchmesser. Das bedeutet, dass bei einem Flug senkrecht durch die Erde etwa zwei Drittel solcher Neutrinos wechselwirken, während ein Drittel ungehindert durch die Erde durchfliegt.[4]
, vermittelt über ein W-Boson W−. Diese Reaktion ist ein Beispiel für den geladenen Strom.Sämtliche Neutrinoreaktionen laufen über die schwache Wechselwirkung ab. Neutrinos unterliegen auch der Gravitation, diese ist aber so schwach, dass sie praktisch keinerlei Bedeutung hat. Neutrinoreaktionen lassen sich wie alle Reaktionen der schwachen Kernkraft in drei Kategorien einteilen:
Die einfachsten Reaktionen, an denen Neutrinos teilnehmen, sind die radioaktiven Betazerfälle. Sie treten bei instabilen Kernen spontan auf und benötigen keine Anregung durch andere Teilchen.
Beim β−-Zerfall (Beta-minus-Zerfall) wandelt sich ein Neutron in ein Proton um, wobei ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino entstehen. Auf Quantenebene emittiert dabei eines der beiden Down-Quarks des Neutrons das intermediäre Vektorboson W-, wobei es sich in ein Up-Quark verwandelt. Das emittierte W-Boson zerfällt schließlich in ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. Es handelt sich also um den „geladenen Strom“. Dieser Zerfall tritt beispielsweise bei freien Neutronen auf, aber auch bei Atomkernen, die einen großen Neutronenüberschuss aufweisen.
Umgekehrt wandelt sich beim β+-Zerfall (Beta-plus-Zerfall) ein Proton in ein Neutron um und sendet durch den Zerfall des entstehenden W+-Bosons ein Positron und ein Elektron-Neutrino aus. Der Prozess tritt bei Protonenüberschuss im Kern auf. Da die Reaktionsprodukte schwerer sind als das ursprüngliche Proton, muss die Massendifferenz von der Bindungsenergie des Kerns aufgebracht werden.
Wichtige Neutrinoquellen sind auch kosmische Kernfusionsprozesse, zum Beispiel in der Sonne. Ein Beispiel ist die Proton/Proton-Reaktion, die besonders bei kleinen Sternen von Bedeutung ist. Dabei verschmelzen zwei Wasserstoffkerne unter extrem hoher Temperatur zu einem Deuteriumkern, wobei durch die Umwandlung eines Protons in ein Neutron ein Positron und ein Elektron-Neutrino frei wird.
Auf Quantenebene ist die Reaktion äquivalent zum β+-Zerfall. Weil in der Sonne aber enorm viele Fusionen pro Sekunde stattfinden und dadurch enorm viele Neutrinos freigesetzt werden, hat die Proton/Proton-Reaktion in der Neutrinoforschung die größere Bedeutung. In der Sonne und schwereren Sternen entstehen Elektron-Neutrinos auch bei einem weiteren Fusionsprozess, dem Bethe-Weizsäcker-Zyklus. Die Beobachtung der sogenannten Sonnenneutrinos ist wichtig, um die exakten Prozesse im Inneren der Sonne und die fundamentalen Wechselwirkungen der Physik zu verstehen.
Obwohl die geringe Reaktionsfreudigkeit der Neutrinos deren Nachweis schwierig macht, kann man das Durchdringungsvermögen der Neutrinos in der Forschung auch ausnutzen: Neutrinos aus kosmischen Ereignissen erreichen die Erde, während elektromagnetische Strahlung oder andere Teilchen in interstellarer Materie abgeschirmt werden.
Zuerst wurden Neutrinos genutzt, um das Innere der Sonne zu erforschen. Die direkte optische Beobachtung des Kerns ist aufgrund der Diffusion elektromagnetischer Strahlung in den umgebenden Plasmaschichten nicht möglich. Die Neutrinos jedoch, die bei den Fusionsreaktionen im Sonneninneren in großer Zahl entstehen, wechselwirken nur schwach und können das Plasma praktisch ungehindert durchdringen. Ein Photon benötigt typischerweise einige 1000 Jahre, bis es an die Sonnenoberfläche diffundiert; ein Neutrino benötigt dafür nur einige Sekunden.
Später nutzte man Neutrinos auch zur Beobachtung von kosmischen Objekten und Ereignissen jenseits unseres Sonnensystems. Sie sind die einzigen bekannten Teilchen, die von interstellarer Materie nicht deutlich beeinflusst werden. Elektromagnetische Signale können von Staub- und Gaswolken abgeschirmt werden oder aber bei der Detektion auf der Erde von kosmischer Strahlung überdeckt werden. Die kosmische Strahlung ihrerseits, in Form von superschnellen Protonen und Atomkernen, kann sich aufgrund des GZK-Cutoff (Wechselwirkung mit Hintergrundstrahlung) nicht weiter als 100 Megaparsec ausbreiten. Auch das Zentrum unserer Galaxie ist wegen dichten Gases und zahlloser heller Sterne von direkter Beobachtung ausgeschlossen. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass Neutrinos aus dem galaktischen Zentrum in naher Zukunft auf der Erde gemessen werden können. Ebenfalls eine wichtige Rolle spielen Neutrinos bei der Beobachtung von Supernovae, die etwa 99 % ihrer Energie in einem Neutrinoblitz freisetzen. Die entstandenen Neutrinos lassen sich auf der Erde nachweisen und geben Informationen über die Vorgänge während einer Supernova. So wurden im Jahre 1987 Neutrinos nachgewiesen, die von der Supernova 1987A aus der Großen Magellanschen Wolke stammten, 11 im Kamiokande[5], 8 im Irvine Michigan Brookhaven Experiment[6], 5 im Mont Blanc Underground Neutrino Observatory[7] und möglicherweise 5 im Baksan-Detektor.[8][9] Dies sind bis heute die einzigen nachgewiesenen Neutrinos, die sicher aus einer Supernova stammen, denn diese wurde wenige Stunden später mit Teleskopen beobachtet.
Experimente wie IceCube, Amanda, Antares und Nestor haben den Nachweis kosmogener Neutrinos zum Ziel. IceCube ist das derzeitig größte Neutrino-Experiment.
Das CNGS-Experiment (CERN Neutrinos to Gran Sasso) untersucht seit 2007 die Physik der Neutrinos. Dazu wird ein Neutrinostrahl vom CERN über eine Entfernung von 732 km durch die Erdkruste zum Gran-Sasso-Laboratorium in Italien geschickt und dort detektiert. Einige der Myon-Neutrinos wandeln sich unterwegs in andere Neutrinoarten (fast ausschließlich Tau-Neutrinos) um, die vom OPERA-Detektor (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) nachgewiesen werden.
Für die damit zusammenhängenden Geschwindigkeitsmessungen, siehe den Abschnitt Geschwindigkeit.
Bekannte Neutrinodetektoren sind einerseits die radiochemischen Detektoren (z. B. das Chlorexperiment in der Homestake-Goldmine, USA oder der GALLEX-Detektor im Gran-Sasso-Tunnel in Italien), andererseits die auf dem Tscherenkow-Effekt basierenden Detektoren, hier vor allem das Sudbury Neutrino Observatory (SNO) und Super-Kamiokande. Sie weisen solare und atmosphärische Neutrinos nach und erlauben u. a. die Messung von Neutrinooszillationen und damit Rückschlüsse auf die Differenzen der Neutrinomassen, da die im Sonneninneren ablaufenden Reaktionen und somit die Neutrinoemission der Sonne gut bekannt sind. Experimente wie das Double-Chooz-Experiment oder der seit 2002 arbeitende KamLAND-Detektor[10] im Kamioka Neutrino Observatory sind in der Lage, über den inversen Betazerfall Geoneutrinos und Reaktorneutrinos nachzuweisen, und liefern komplementäre Information aus einem Bereich, der von solaren Neutrinodetektoren nicht abgedeckt wird.
Der derzeit größte Neutrino-Detektor namens MINOS steht unterirdisch in einer Eisenmine in den USA, 750 Kilometer vom Forschungszentrum Fermilab entfernt. Von diesem Forschungszentrum wird ein Neutrinostrahl in Richtung des Detektors ausgestrahlt, wo dann gezählt werden soll, wie viele der Neutrinos sich während des unterirdischen Fluges umwandeln.
Forscher des Sandia National Laboratories wollen den Nachweis von Antineutrinos dazu nutzen, die Produktion von Plutonium in Kernreaktoren zu messen, damit die IAEO nicht mehr auf Schätzungen angewiesen ist und niemand mehr etwas für den Bau von Nuklearwaffen abzweigen kann. Wegen der extrem hohen Produktionsrate von Antineutrinos in Kernreaktoren würde schon ein Detektor mit 1 m³ Detektorflüssigkeit vor dem Kernkraftwerk ausreichen.[11]
Forschern der University of Rochester und North Carolina State University ist es 2012 zum ersten Mal gelungen, eine Nachricht mit Hilfe von Neutrinos durch feste Materie zu senden. Ein Protonenbeschleuniger erzeugte einen Neutrinostrahl, welcher 100 Meter unter der Erde von einem Neutrinodetektor erfasst wurde.[12]
Bis 1930 war der radioaktive Betazerfall nicht verstanden. Bei einem solchen Zerfall wurde bis dahin nur ein ausgesandtes Elektron beobachtet. Zusammen mit dem verbleibenden Kern würde es sich somit um ein Zweikörperproblem handeln, mit dem sich allerdings das kontinuierliche Spektrum des Betazerfalls nicht erklären ließ, ohne eine Verletzung des Energieerhaltungssatzes anzunehmen. Das führte Wolfgang Pauli dazu, ein bis dahin unbeobachtetes Elementarteilchen zu postulieren, das neben dem Elektron und dem Kern ebenfalls an dem Prozess teilnehmen sollte. Dieses Teilchen sollte einen Teil der beim Zerfall freiwerdenden Energie tragen, und so die Energie- und Impulserhaltung sicherstellen. Pauli nannte sein am 4. Dezember 1930 in einem privaten Brief postuliertes hypothetisches Teilchen zuerst Neutron. Enrico Fermi, der eine Theorie über die grundlegenden Eigenschaften und Wechselwirkungen dieses Teilchens ausarbeitete, benannte es in Neutrino (italienisch für „kleines Neutron“, „Neutrönchen“) um, um einen Konflikt mit dem heute unter gleichem Namen bekannten Teilchen zu vermeiden. Erst 1933 präsentierte Pauli seine Hypothese einem breiteren Publikum und stellte die Frage nach einem möglichen experimentellen Nachweis.
. Ein Myon-Neutrino (
) von unten links kommend (unsichtbar) kollidiert mit einem Proton (p) des flüssigen Wasserstoffs. Als Endprodukt der Reaktion entsteht ein positiv geladenes Pion (
) und ein negativ geladenes Myon (
). Die detaillierte Reaktion des Neutrinos mit den Quarks des Protons vermittelt über ein W-Boson (Schwache Wechselwirkung) ist schematisch rechts neben den Spuren eingezeichnet.Pauli nahm an, dass das Neutrino nur äußerst schwer nachweisbar sei. Tatsächlich erfolgte die erste Beobachtung erst 23 Jahre später: 1956 gelang der Gruppe um Clyde L. Cowan und Frederick Reines mit dem Poltergeist-Experiment[14] der Nachweis anhand des inversen Betazerfalls an einem der ersten großen Kernreaktoren.[15][16] Beide Forscher sandten am 14. Juni 1956 Wolfgang Pauli ein Telegramm mit der Erfolgsmitteilung nach Zürich.[17] In einem Kernreaktor entstehen durch den Betazerfall der Spaltprodukte Neutrinos (genauer: Antineutrinos) mit viel höherer Flussdichte, als mit einem radioaktiven Präparat erreichbar wäre.
Für die Entdeckung wurde Reines 1995 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Das Myon-Neutrino wurde 1962 von Jack Steinberger, Melvin Schwartz und Leon Max Lederman mit dem ersten am Beschleuniger hergestellten Neutrinostrahl entdeckt. Sie erhielten dafür den Physiknobelpreis des Jahres 1988. Mit dem Myon-Neutrino wurde eine zweite Neutrinogeneration bekannt, die das Analogon zum Elektron-Neutrino für Myonen darstellt. Kurzzeitig war für das Myon-Neutrino die Bezeichnung Neutretto in Verwendung (-etto ist ebenfalls eine italienische Verkleinerungsform), die jedoch keine große Verbreitung fand. Als 1975 das Tauon entdeckt wurde, erwarteten die Physiker auch eine zugehörige Neutrinogeneration, das Tauon-Neutrino. Erste Anzeichen für dessen Existenz gab das kontinuierliche Spektrum im Tauon-Zerfall, ähnlich wie beim Betazerfall. Im Jahr 2000 wurde dann am DONUT-Experiment das Tau-Neutrino erstmals direkt nachgewiesen.
Das von 1993 bis 1998 laufende LSND-Experiment in Los Alamos wurde als Hinweis auf die Existenz steriler Neutrinos interpretiert, war jedoch umstritten. Nachdem KARMEN die Ergebnisse nicht reproduzieren konnte, gilt diese Interpretation seit 2007 durch erste Ergebnisse von MiniBooNE (miniature booster neutrino experiment am Fermi National Accelerator Laboratory) als offen.[18]
Wiktionary: Neutrino – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, ÜbersetzungenVideos
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