Neutrino

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Dieser Artikel beschäftigt sich mit der Bedeutung des Begriffs Neutrino als Elementarteilchen, weitere Bedeutungen dieses Begriffes können über Neutrino (Begriffsklärung) aufgerufen werden.

Neutrino

Klassifikation

Elementarteilchen
Fermion
Lepton

Eigenschaften

Ladung	0 C
Ruheenergie	(Elektron-Neutrino) < 2,3 eV
Spin	1/2
Wechselwirkung	schwach Gravitation

Das Neutrino ist ein elektrisch neutrales Elementarteilchen. Es gehört zu den Leptonen und wird nur durch die Schwache Wechselwirkung und, wie jedes Elementarteilchen, gemäß Allgemeiner Relativitätstheorie auch durch die Gravitation beeinflusst. Das Neutrino besitzt als Fermion im Standardmodell einen Spin von $\hbar/2$ und negative Helizität. Die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit des Neutrinos ist äußerst klein. Sein Nachweis ist nur über den geladenen und neutralen Strom, das Z-Boson und das W-Boson als Austauschteilchen der Schwachen Wechselwirkung möglich und daher schwierig. Das Symbol für das Neutrino ist der griechische Buchstabe ν.

Für typische Sonnen-Neutrinos (Energie von einigen MeV) würde man eine Bleiwand von circa einem Lichtjahr Dicke brauchen (ca. $1016$ m), um die Hälfte von ihnen einzufangen. Etwa 66 Milliarden Neutrinos bewegen sich pro Sekunde durch einen Quadratzentimeter der Erdoberfläche.

Inhaltsverzeichnis

1 Eigenschaften
- 1.1 Drei Neutrinogenerationen und Antineutrinos
- 1.2 Neutrinomasse
2 Neutrino- und Antineutrinoreaktionen
3 Neutrinoforschung
- 3.1 Teilchenphysik
- 3.2 Neutrinodetektoren
4 Forschungsgeschichte
5 Weblinks
6 Videos

[Bearbeiten] Eigenschaften

[Bearbeiten] Drei Neutrinogenerationen und Antineutrinos

Drei Generationen von Leptonen sind bekannt, die jeweils aus einem Paar aus einem elektrisch geladenen Teilchen (Elektron, Myon und Tauon) und einem elektrisch neutralen, assoziierten Neutrino bestehen. Man spricht vom Elektron-Neutrino ( $ν e$ ), Myon-Neutrino ( $ν μ$ ) und Tau- oder Tauon-Neutrino ( $ν τ$ ). Alle Leptonen tragen die sogenannte „Schwache Ladung“ und Spin 1/2. Daneben gibt es zu jedem Neutrino auch ein Antiteilchen, das Antineutrino, also ein Elektron-Antineutrino ( $\overline{\nu}_e$ ), Myon-Antineutrino ( $\overline{\nu}_{\mu}$ ) und Tauon-Antineutrino ( $\overline{\nu}_{\tau}$ ).

Die Leptonen unterscheiden sich von Generation zu Generation nur durch die unterschiedlichen Massen der elektrisch geladenen Leptonen, während von den Massen der Neutrinos bisher nur obere Grenzen bekannt sind.

Die Anzahl der Neutrinoarten mit einer Neutrinomasse, 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“, was bedeutet, dass es in Bezug auf seine Bewegungsrichtung gegen den Uhrzeigersinn rotiert. 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, d. h. der Spin vertauscht werden. Die schwache Wechselwirkung unterscheidet sich also von der elektromagnetischen Wechselwirkung durch die Verknüpfung der „schwachen Ladung“ mit der Rechts- oder Linkshändigkeit 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“.

[Bearbeiten] Neutrinomasse

Die vollständige Hamilton-Funktion der Quanteneigenzustände in der Glashow-Salam-Weinberg-Theorie (siehe Elektroschwache Wechselwirkung) enthält Massenterme für die Neutrinos ohne jedoch einen Hinweis auf die Größe der Masse zu geben. Weil jedoch die experimentellen Obergrenzen der Neutrinomassen mehrere Größenordnungen unterhalb der Massen der assoziierten geladenen Leptonen liegen, ist es bei vielen Berechnungen zulässig, diese auf Null zu setzen.

Im Standardmodell der Elementarteilchen wird bei der Herleitung der Masseneigenzustände der Fermionen (Leptonen und Quarks) aus den Quanteneigenzuständen die Neutrinomasse zu Null gesetzt, so dass der Nachweis einer Neutrinomasse eine Vervollständigung dieses Modells erfordert. Es gibt Erweiterungen zu dem heutigen Standardmodell und auch einige interessante Große Vereinheitlichte Theorien, welche massive Neutrinos vorhersagen.

Neueste Messungen belegen, dass Neutrinos tatsächlich eine (im Vergleich zu den assoziierten geladenen Leptonen sehr kleine) von Null verschiedene Ruhemasse besitzen, denn Massenunterschiede zwischen den Neutrinogenerationen sind eine Voraussetzung dafür, dass sie sich von einer Neutrinoart in eine andere umwandeln können (Neutrinooszillation). Im Jahr 2002 wurden Oszillationen von solaren Neutrinos durch das SNO nachgewiesen.

Für die Kosmologie sind damit die Neutrinos ein Kandidat für einen Teil der dunklen Materie, können jedoch allenfalls die heiße dunkle Materie stellen.

Als beste Obergrenze für die Elektron-Neutrinomasse gilt derzeit der aus der direkten Bestimmung der Neutrinomasse gewonnene Wert von 2,3 eV, durch Messung des Endpunktes des Betaspektrums von Tritium des Mainzer Neutrinoexperiments [1]. Eine bessere Obergrenze erhofft man sich durch noch genauere Messungen durch das Nachfolgeexperiment KATRIN am Forschungszentrum Karlsruhe, welches eine Obergrenze von 0,2 eV liefern soll.

Zum Vergleich: Ein Elektron besitzt eine Ruheenergie von 511 keV = 511.000 eV

[Bearbeiten] Neutrino- und Antineutrinoreaktionen

Die bekannteste Reaktion, an der ein Neutrino teilnimmt, ist der β⁻-Zerfall (Beta-minus-Zerfall), in dem ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino zerfällt.

Dabei emittiert 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 Antineutrino.

Das kontinuierliche Spektrum des Betazerfalls führte Wolfgang Pauli dazu, ein bis dahin unbeobachtetes Elementarteilchen zu postulieren. Dieses Teilchen sollte einen Teil der beim Zerfall freiwerdenden Energie tragen, und so die Impulserhaltung sicherstellen. Pauli nannte sein am 4. Dezember 1930 in einem privaten Brief postuliertes hypothetisches Teilchen zuerst Neutron; um einen Konflikt mit dem heute unter gleichem Namen bekannten Teilchen zu vermeiden, benannte Enrico Fermi es in Neutrino (kleines Neutron, "Neutrönchen") um. Erst 1933 stellte Pauli seine Hypothese einem breiteren Publikum vor und musste dann noch 23 Jahre auf den experimentellen Nachweis warten.

Elektron-Neutrinos entstehen auch in großer Zahl in der Sonne bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium. Die Beobachtung der so genannten Sonnenneutrinos ist wichtig, um die exakten Prozesse im Inneren der Sonne und die fundamentalen Wechselwirkungen der Physik zu verstehen.

[Bearbeiten] Neutrinoforschung

Obwohl die geringe Reaktionsfreudigkeit der Neutrinos deren Nachweis schierig macht, kann man die penetrante Natur der Neutrinos in der Forschung ausnutzen. So erreichen Neutrinos aus kosmischen Ereignissen 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 unseren 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 dichtem Gas 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 1987 im Kamiokande-Detektor elf Neutrinos nachgewiesen, die von der Supernova 1987A aus der Großen Magellanschen Wolke stammten. 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 Amanda, Antares und Nestor haben den Nachweis kosmogener Neutrinos zum Ziel.

[Bearbeiten] Teilchenphysik

In der Teilchenphysik sind Neutrinos von Bedeutung, weil sie in den Erweiterungen des Standardmodells die leichtesten Elementarteilchen sind. Wenn man beispielsweise eine vierte Generation von Fermionen annimmt (neben Elektron, Myon und Tauon), wäre das zugehörige Neutrino am einfachsten zu erzeugen. Neutrinos könnten auch verwendet werden, um Quantengravitationseffekte zu untersuchen. Weil sie nicht in zusammengesetzten Teilchen (z.B. Protonen und Neutronen) auftreten oder nach kurzer Zeit zerfallen, könnte es möglich sein, solche Effekte zu isolieren und zu messen.

Das CNGS-Experiment (CERN Neutrinos to Gran Sasso), dessen Beginn für Mai 2006 geplant ist, soll weitere Aufklärung über die Physik der Neutrinos bringen. Dabei wird am SPS-Beschleuniger des Forschungszentrums CERN bei Genf ein Neutrinostrahl erzeugt, der dann über eine Entfernung von 730 km durch das Erdinnere zum Gran-Sasso-Laboratorium in Italien gelangen soll und dort detektiert wird. Zur Erzeugung des Strahls werden Protonen mit einer Energie von 400 GeV auf ein Graphittarget in einem heliumgefüllten Behälter geschossen. Die dabei entstehenden positiv geladenen Pionen und Kaonen werden dann durch ein magnetisches Linsensystem zu einem parallelen Strahl fokussiert und zerfallen danach in einer 1 km langen evakuierten Röhre zu Myon-Neutrinos und Myonen. Die entstehenden Neutrinos behalten ihre Flugrichtung auf das Gran-Sasso-Labor bei, während die restlichen Protonen, Pionen und Kaonen von einem Eisen/Graphit-Schild aufgefangen werden. Der Myonenstrom, der den Schild genauso wie die Neutrinos durchquert, wird anschließend gemessen, um daraus die Anzahl der abgesendeten Neutrinos zu ermitteln. Schließlich werden auch die Myonen vom Gestein absorbiert und nur die Neutrinos setzen ihre einsame Reise fort. Da die Ruhemasse der Neutrinos ungleich Null ist (was inzwischen als bewiesen gilt), werden sich einige der Myon-Neutrinos unterwegs in andere Neutrinoarten (fast ausschließlich Tau-Neutrinos) umwandeln, welche dann vom OPERA-Detektor nachgewiesen werden sollen.

[Bearbeiten] Neutrinodetektoren

Bekannte Neutrinodetektoren sind einerseits die radiochemischen Detektoren (z. B. das Chlorexperiment in der Homestake-Goldmine, USA oder der GALLEX-Detektor im Gran-Sasso-Tunnel (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 Chooz oder Kamland 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 verändern.

Einige wichtig Neutrinodetektoren sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Neutrino-Experimente
Experiment	Sensitivität	Detektortyp	Detektor	Reaktionstyp	Reaktion	Schwellenenergie
BOREXINO, Gran Sasso, Italien	niederengetische solare $ν e$	Szintillator	H₂O + PC+PPO PC=C₆H₃(CH₃)₃ PPO=C₁₅H₁₁NO]	elastische Streuung	v_x + e⁻ → v_x + e⁻	250–665 keV	[2]
CLEAN	niederenergetische solare $ν e$ , sowie $ν e$ aus Supernovae und Pulsaren	Szintillator	flüssiges Neon	elastische Streuung	v_x + e⁻ → v_x + e⁻ v_e + ²⁰Ne → v_e + ²⁰Ne	???	[3]
GALLEX, Gran Sasso, Italien	solare $ν e$	radiochemisch	GaCl₃ (30 t Ga)	geladener Strom	v_e+⁷¹Ga → ⁷¹Ge+e⁻	233.2 keV	[4]
GNO, Gran Sasso, Italien	niederenergetische solare $ν e$	radiochemisch	GaCl₃ (30 t Ga)	geladener Strom	v_e+⁷¹Ga → ⁷¹Ge+e⁻	233.2 keV	[5]
HERON	hauptsächlich niederenergetische solare $ν e$	Szintillator	superfluides Helium	neutraler Strom	v_e + e⁻ → v_e + e⁻	1 MeV	[6]
Homestake–Chlorine, Homestake-Mine, USA	solare $ν e$	radiochemisch	C₂Cl₄ (615 t)	geladener Strom	³⁷Cl+v_e → ³⁷Ar+e⁻ ³⁷Ar^ → ³⁷Cl + e⁺ + v_e	814 keV	[7]
Homestake–Iodine, Homestake-Mine, USA	solare $ν e$	radiochemisch	NaI	elastische Streuung, geladener Strom	v_e + e⁻ → v_e + e⁻ v_e + ¹²⁷I → ¹²⁷Xe + e⁻	789 keV	[8]
ICARUS, Gran Sasso, Italien	solare und atmosphärische Neutrinos, sowie $ν e$ , $ν μ$ , $ν τ$ von CERN	Tscherenkow	flüssiges Argon	elastische Streuung	v_e + e⁻ → v_e + e⁻	5.9 MeV	[9]
Kamiokande, Kamioka, Japan	solare und atmosphärische $ν e$	Tscherenkow	H₂O	elastische Streuung	v_e + e⁻ → v_e + e⁻	7.5 MeV	[10]
Super-Kamiokande, Kamioka, Japan	solare und atmosphärische $ν e$ , $ν μ$ , $ν τ$	Tscherenkow	H₂O	elastische Streuung, geladener Strom	v_e+ e⁻ → v_e + e⁻ v_e + n^o → e⁻ + p⁺ v_e + p⁺ → e⁺ + n^o	???	[11]
LENS, Gran Sasso, Italien	niederenergetische solare $ν e$	Szintillator	In(MVA)_x	geladener Strom	v_e + ¹¹⁵In → ¹¹⁵Sn+e⁻+2γ	120 keV	[12]
MOON, Washington, USA	niederenergetische solare $ν e$ und niederenergetische Supernova- $ν e$	Szintillator	¹⁰⁰Mo (1 t) + MoF₆ (gasförmig)	geladener Strom	v_e+¹⁰⁰Mo → ¹⁰⁰Tc+e⁻	168 keV	[13]
SAGE, Baksan, Rußland	niederenergetische solare $ν e$	radiochemisch	GaCl₃	geladener Strom	v_e+⁷¹Ga → ⁷¹Ge+e⁻	233.2 keV	[14]
SNO, Sudbury-Mine, Kanada	solare und atmosphärische $ν e$ , $ν μ$ , $ν τ$	Tscherenkow	1000 t D₂O	geladener Strom, neutraler Strom, elastische Streuung	v_e + ²₁D →p⁺+p⁺+e⁻ v_x + ²₁D → v_x+n^o+p⁺ v_e + e⁻ → v_e + e⁻	6.75 MeV	[15]
UNO, Henderson-Mine, USA	solare, atmosphärische und Reaktor- $ν e$ , $ν μ$ , $ν τ$	Tscherenkow	440.000 t H₂O	elastische Streuung	v_e + e⁻ → v_e + e⁻	???	[16]
IceCube, Südpol	solare, atmosphärische und kosmische $ν e$ , $ν μ$ , $ν τ$ , eventuell weitere	Tscherenkow	1 km³ H₂O (Eis)	elastische Streuung	v_e + e⁻ → v_e + e⁻ etc.	~10 MeV	[17]

[Bearbeiten] Forschungsgeschichte

Bis 1930 war der radioaktive Beta-Zerfall 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 Beta-Zerfalls nicht erklären ließ, ohne eine Verletzung des Energieerhaltungssatzes anzunehmen. Um dieses Problem zu lösen postulierte Wolfgang Pauli im Dezember 1930, daß neben dem Elektron und dem Kern noch ein drittes Teilchen an dem Prozeß teilnimmt. Das Postulat selbst erfolgte in einem Brief an die Teilnehmer einer Konferenz in Tübingen, beginnend mit den Worten „Liebe Radioaktive Damen und Herren“, in dem er die Frage nach einem möglichen experimentellen Nachweis stellte. Enrico Fermi arbeitete eine Theorie über die grundlegenden Eigenschaften und Wechselwirkungen dieses Teilchens aus und taufte es Neutrino. Den Namen wählte er in Anspielung auf das Neutron: Neutrino ist italienisch für kleines Neutron oder Neutrönchen.

Diese Aufnahme aus einer Blasenkammer gilt als der erste Nachweis des Elektron-Neutrinos. Bei diesem inversen Beta-Zerfall kollidiert ein Antineutrino aus einem Kernreaktor mit einem Proton und erzeugt ein Neutron und ein Positron. Die Reaktion erfolgte rechts im Bild, dort wo drei Spuren zusammenlaufen.

Wie Pauli bereits annahm, müßte das Neutrino nur äußerst schwer nachweisbar sein. Tatsächlich erfolgte die erste Beobachtung erst 25 Jahre später. 1956 gelang der Nachweis der Gruppe um Clyde L. Cowan und Frederick Reines anhand des inversen Beta-Zerfalls an einem Kernreaktor, der einen deutlich höheren Neutrino-Fluss als radioaktive Elemente beim Beta-Zerfall verursacht.

$\bar{\nu}_e + p \rightarrow e^{+} + n$

Ein Antineutrino trifft auf ein Proton und erzeugt ein Positron und ein Neutron.

Beide Reaktionsprodukte sind vegleichsweise leicht beobachtbar. Für ihre Entdeckung wurden Cowan und Reines 1995 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet. Heute weiß man, daß es sich bei dem beteiligten Teilchen um ein Antineutrino handelte.

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. 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 Beta-Zerfall. Im Jahr 2000 wurde dann am DONUT-Experiment das Tau-Neutrino erstmals direkt nachgewiesen.

Auch wenn der Nachweis somit erst in der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts geschafft wurde, beschrieb bereits Nikola Tesla (1856 - 1943) in einem Zeitungsartikel ein bisher unbekanntes Teilchen, dessen Eigenschaften dem Neutrino entsprechen.