Neutrinooszillation

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Neutrinos sind die leichtesten bekannten Leptonen. Leptonen treten in drei Flavour-Generationen (Teilchen-Arten) auf:

Elektron und Elektron-Neutrino
Myon und Myon-Neutrino
Tauon und Tau-Neutrino

Neutrinooszillationen bezeichnet die Umwandlung von einer Neutrinoart in eine andere aufgrund quantenmechanischer Prozesse.

[Bearbeiten] Solares Neutrinodefizit

Zum ersten Mal wurde über mögliche Neutrinooszillationen bei der Entdeckung des solaren Neutrinodefizits diskutiert. Neutrinos entstehen in großer Zahl bei Kernfusionsprozessen im Inneren der Sonne. In den 1960er Jahren begann Raymond Davis mit der Untersuchung des solaren Neutrinostroms mit einem Elektron-Neutrinodetektor in der Homestake-Mine (Chlordetektor). Der gemessene Neutrinofluss entsprach aber lediglich weniger als der Hälfte des aufgrund der Leuchtkraft der Sonne erwarteten Flusses. Da das Sonnen-Modell gut verstanden ist und experimentell mehrfach bestätigt wurde, kann dieses Ergebnis als ein "Verschwinden" der Neutrinos gedeutet werden. Aus heutiger Sicht bedeutet dies, dass die Elektron-Neutrinos in Myon-Neutrinos oszilliert sind. Raymond Davis Jr. erhielt für das Homestake-Experiment den Nobelpreis in Physik 2002.

[Bearbeiten] Theoretische Grundlage

Hierfür werden zwei Annahmen benötigt. Zum einen müssen Neutrinos unterschiedliche Massen besitzen, zum anderen sollen die Massen-Eigenzustände der Neutrinos gegenüber den Wechselwirkungs-Zuständen (analog zur CKM-Mischung im Quark-Sektor) vermischt sein. Eine Näherungsformel für die 2-Flavour-Oszillation hochrelativistischer Elektronneutrino nach Myon-Neutrino ist

$P(\nu_e \rightarrow \nu_\mu) = \sin^2 \left(\frac{\Delta(m^2)L}{4E_\nu} \right)\cdot \sin^2 \left(2\Theta_m \right)$

Hierbei ist $L$ die zurückgelegte Strecke des Neutrinos, $Θ m$ der Mischungswinkel der Flavours und $Δ m 2$ der Massenunterschied der Flavours.

Bei Neutrinooszillationen in Materie tritt der so genannte MSW-Effekt auf (nur bei Dichteänderung) (benannt nach Stanislav Mikheyev, Alexi Smirnov und Lincoln Wolfenstein). Dieser verursacht für bestimmte Elektronendichten und Neutrino-Massendifferenzen in Materie eine resonante Verstärkung der Oszillation.

Neutrinooszillationen bieten einen ersten Einblick in die Physik jenseits des Standard-Modells. Nach dem Standardmodell hätten Neutrinos keine Masse, insbesondere also keine (quadratischen) Massendifferenzen; zudem würden sie nur als linkshändige Teilchen auftreten. Sind die Neutrinos jedoch massenbehaftete Teilchen – dies wird gerade durch Neutrinooszillationen bestätigt – so sind auch rechtshändige Neutrinos möglich. Die elektroschwache Wechselwirkung wirkt nur auf linkshändige Neutrino-Teilchen, die rechtshändigen Neutrinos würden keiner Wechselwirkung (außer der Gravitation) unterliegen (sterile Neutrinos, WIMPs).

[Bearbeiten] Experimente

Radiochemische Experimente wie das erwähnte Homestake-Experiment messen den Elektron-Neutrino-Fluss über einen längeren Zeitraum. Man nutzt in solchen Experimenten aus, dass der Beta-Zerfall durch Neutrino-Einfang umgekehrt werden kann. Zum Beispiel wandelt sich ⁷¹Ga durch Einfang eines Elektron-Neutrinos in ⁷¹Ge unter Emission eines Elektrons um. Diese einzelnen Atome können dann, wie beim GALLEX-Experiment im Gran Sasso, aus dem Detektor chemisch abgetrennt und durch den Rückzerfall nachgewiesen werden.
Echtzeitexperimente erfassen nicht die Neutrinos selbst, sondern ihren Rückstoß-Partner. Dessen Impuls wird oft über die Tscherenkow-Strahlung ausgewertet, aber auch andere Detektormethoden der Hochenergiephysik kommen zum Einsatz. Zu diesem Tscherenkow-Typ gehört der japanische Super-Kamiokande-Detektor, ein 50.000t Leicht-Wasser-Target mit mehr als 10.000 Photomultipliern sowie der kanadische SNO-Detektor. Einen anderen Ansatz die Teilchen in (beinahe-)Echtzeit nachzuweisen, verfolgt der derzeit im italienischen Gran Sasso Underground Laboratory im Aufbau befindliche Detektor OPERA (direkter Nachweis der Tau-Neutrino Appearance).

Beide Experimententypen bestätigen die Neutrinooszillationen.

Siehe auch: Proton-Proton-Reaktion