Neutrinos

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Entdeckung und Eigenschaften der Neutrinos

Die Existenz von Neutrinos folgt bereits aus dem Beta-Zerfall. Denn die Energie der ausgesendeten Elektronen ist nicht fest, sondern kontinuierlich verteilt. Impuls- und Energieerhaltung sind bei dem Zerfall nur erfüllbar, wenn neben dem Atomkern und dem Elektron noch ein drittes Teilchen vorhanden ist. Neutrinos unterliegen nur der schwachen Wechselwirkung und sind daher sehr schwer nachzuweisen. Eine mögliche Nachweisrektion ist der Stoß eines Neutrinos mit einem Proton: $\nu_e+p\rightarrow n+e^{+}$. Dabei ensteht ein Neutron und ein Positron. Das Positron annihiliert und sendet dabei typische γ-Strahlung der Energie 511 MeV (Vernichtungsstrahlung) aus. Das entstandene Neutron wird abgebremst und von einem Kern eingefangen. Auch dabei entsteht charakteristische γ-Strahlung. Beide Prozesse finden nicht zeitgleich, sondern um ca. 1 ms verstezt statt. Zum Nachweis der Neutrinos muss man also die Vernichtungsstrahlung und 1 ms später die γ-Strahlung aus dem Neutroneneinfang detektieren. Dieser Nachweis ist sehr selektiv.

Neutrinomasse und Neutrinooszillationen

Ob Neutrinos eine Masse haben oder nicht, war lange eine offene Frage der Physik. Nach dem Standardmodell müssten Neutrinos masselos sein und es würden nur linkshändige Neutrinos existieren. Wenn Neutrinos jedoch eine Masse hätten, dann müsste es vorkommen, dass sich Neutrinos einer Generation in Neutrinos einer anderen Generation umwandeln, d.h. ihren Neutrino-Flavour ändern. Es müsste beobachtbar sein, dass zum Beispiel ein Elektron-Neutrino in eine Myon-Neutrino umgewandelt würde. Und diese Änderung des Flavours müsste periodisch mit einer bestimmten Frequenz erfolgen, die von der Differenz der Neutrinomassen abhängt. Man spricht deshalb von Neutrinooszillationen.[1] Ob Neutrinos nun eine Masse haben oder nicht, ist auch für die Astrophysik von Bedeutung. Wenn ja, dann wäre die Masse des Universums erheblich größer als bisher angenommen. Auch könnten sie für dunkle Materie verantwortlich sein.

Nachweis der Neutrinooszillationen

Um die Neutrinooszillation zu zeigen kann man folgendermaßen vorgehen: Man benötigt eine starke Neutrinoquelle, in der viele Neutrinos eines Typs am gleichen Ort erzeugt werden und bestimmt ihre Anzahl. Dann misst man die Anzahl der Neutrinos eines Typs an verschiedenen, möglichst weit auseinanderliegenden Orten. Wenn Neutrinos unterwegs "verloren gehen", ist das ein starkes Indiz für Neutrinooszillationen. Um die Oszillation direkt zeigen zu können, müsste man die Anzahl der Neutrinos jeden Typs bestimmen können. Mögliche Neutrinoquellen sind die Sonne, in der viele Elektron-Neutrinos bei den ablaufenden Kernprozessen entstehen. Auch in den oberen Atmosphärenschichten entstehen viele Neutrinos durch die Reaktionen der Luftmoleküle mit der auftreffenden kosmischen Strahlung. Und schließlich enstehen Neutrinos auch in Kernreaktoren.

Solares Neutrinodefizit

Als erster Hinweis auf Neutrinooszillationen gilt, dass die Anzahl der Elektron-Neutrinos, die uns von der Sonne erreichen, deutlich zu gering ist. Zwar gibt es noch Unsicherheiten in den Sonnenmodellen, die man zugrundelegt, um die erwartete Anzahl zu berechnen, doch die z.B. mit dem Homestake-Experiment gemessenen Neutrinomengen sind mit nur 1/3 der theoretisch erwarteten Menge außerhalb dieser Unsicherheiten.

Super-Kamiokande

Geometrie des Superkamiokande-Experimentes

Inzwischen wurden viele Experimente durchgeführt und die Neutrinooszillationen gezeigt. Eines der eindrucksvollsten ist das Superkamiokande-Experiment in Japan. Dabei nutzt man als Neutrinoquelle die atmosphärischen Neutrinos, die mit ca. 0,1 GeV eine wesentlich höhere Energie als solare Neutrinos haben [2], so dass man sie experimentell unterscheiden kann. Außerdem kann man in diesem Experiment sowohl Elektron- als auch Myon-Neutrinos nachweisen, sowie die Richtung, aus der sie gekommen sind. Da man die Einfallsrichtung messen kann, kann man aus Sicht des Detektors Neutrinos, die von oben kommen ("aus dem Himmel fallen") von denen unterscheiden, die von unten kommen ("aus dem Boden quellen"). Diejenigen, die von oben kommen, sind in der Atmosphäre direkt über dem Detektor entstanden und hatten einen Weg von ca. 15 km. Diejenigen, die von unten kommen, mussten die gesamte Erde durchqueren und hatten einen Weg von ca. 13.000 km. Das Ergebnis des Experimentes ist, dass wesentlich weniger Myon-Neutrinos von unten kommen, derweil sich die Anzahl der Elektron-Neutrinos nicht unterscheidet. Das spricht für eine Umwandlung der Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos. Weitere zukünftige Experiment sind nötig und geplant[3].


Literatur

  1. Donald H. Perkins, Hochenergiephysik, 3. Auflage, Addison-Wesley(Deutschland) GmbH, Bonn, München (1991)
  2. T. K. Bethge, U.E.Schröder, Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen, Wiley-VHC-Verlag, Weinheim (2012), Online Resource
  3. German Hacker, Grundlagen der Teilchenphysik, Lernprogramm, Universität Erlangen, Version vom 28. März 2003, abgerufen am 23.09.2017,Online Resource