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Schule > Physik > Atom- und Kernphysik > Neutrinos - Unfassbare Teilchen

NEUTRINOS - UNFASSBARE ELEMENTARTEILCHEN

Zusammenfassung: Neutrinos gehören wohl zu den geheimnisvollsten Elementarteilchen überhaupt. Sie sind sehr schwierig nachweisbar und noch schwieriger zu beeinflussen. Der Grund liegt wohl darin, dass Neutrinos keine Ladung besitzen und falls sie eine Masse haben sollten, ist diese extrem klein. Die Untersuchung der Masse ist momentan das interessanteste Forschungsziel der Neutrinophysik, denn diese könnte andere kosmologische Phänomene veranschaulichen gestalten.
Einleitung: Drei Arten von Neutrinos (sog. flavors) sind den Physikern bisher bekannt. Im Standartmodell der Teilchenphysik sind diese Flavors mit den drei geladenen Teilchen Elektron, Myon und Tauon verknüpft und gehören der Familie der Leptonen an. Charakteristisch für diese Gruppe ist ihr farbloses Erscheinen, ihr Spin ½ h, sowie das paarweise Auftreten bei Reaktionen, so dass die Summe der Quantenzahlen Null ergibt (2). Leptonen unterscheiden sich in ihrer Ladung und Masse (Tabelle 1). Da Neutrinos eine sehr kleine bis keine Ruhemasse besitzen und über keine Ladung verfügen, unterliegen sie nur der Kraft der schwachen Wechselwirkungen. Da stellt sich die Frage, wie man auf die Idee gekommen ist, dass solche Teilchen existieren könnten und wie es möglich ist, ein so kleines Teilchen nachzuweisen, welches praktisch nie wechselwirkt und sich fast mit Licht-geschwindigkeit fortbewegt.
Geschichtliches: Niels Bohr führte Ende der dreissiger Jahre Untersuchungen zum ß-Zerfall durch, wobei er auf eine merkwürdige Erscheinung stiess; Die Berechnung der Energie, welche das entsendete Elektron auf sich tragen sollte, war grösser als jene Energie, die effektiv bestimmt wurde. Bohr erklärte sich dieses Phänomen dadurch, dass das fundamentale Gesetz der Energieerhaltung nicht stimmen könnte. Schliesslich war es der Schweizer Physiker Wolfgang Pauli, der sich 1930 gegen Bohrs Zweifel wandte und die Existenz eines noch unbekannten, ungeladene Teilchens, das Neutrino, postulierte. Würde dieses Neutrino nicht entstehen, so wäre der ß-Zerfall ein Zweikörperzerfall. Dies stünde aber im Widerspruch zu Chadwick’s Nachweis um 1914, dass ein Elektron ein kontinuierliches Energiespektrum aufweisten. Ein Zweikörperzerfall würde jedoch zu Elektronen mit konstanter Energie führen. 1956 schliesslich gelang es Fred Reines und Clyde Cowan, durch einen inversen ß-Zerfall, gemäss ve + p ( e+ + n. Der experimentelle Nachweis eines Elektron-Neutrinos.(1,4,6)
Neutrino Quellen: Die Neutrinos welche unsere Erde durchdringen, stammen entweder aus natürlichen oder künstlichen Quellen. Die natürlichen Quellen liefern die atmosphärischen und solaren Neutrinos, die auf der Erde am häufigsten vorkommen. Neutrinos entstehen auch bei Supernovae, bis heute ist es jedoch unklar, ob es beim Urknall auch zur Bildung von Neutrinos gekommen ist. Die künstlichen Quellen bilden Teilchenbeschleunigern und Reaktoren, mit deren sich diese faszinierenden Teilchen herstellen lassen.(1)
Oszillation: Das wohl spannendste Thema, mit dem sich die Neutrinophysik heute hauptsächlich auseinander setzt, ist die Frage, ob Neutrinos nebst ihrer Energie auch noch eine Masse bzw. Ruhemasse besitzen. Anhaltspunkte dazu ergeben sich bei der Betrachtung der Neutrinooszillation. Unter der Neutrinooszillation versteht man die wellenartige Fortbewegung der Neutrinos, durch welche sich Neutrinos von einer Art in eine andere umwandeln. Eine solche Umwandlung würde aber eine Massenveränderung voraussetzten, was wiederum eine Masse des Neutrinos erfordert. Konkrete Hinweise auf dieses eindrückliche Phänomen liefert das Super-Kamiokande (kurz: Super-K) Projekt in Japan. Atmosphärische Neutrinos entstehen dadurch, dass die hochenergetische kosmische Strahlung auf einen Luftkern trifft, wodurch eine Zerfallskette entsteht, bei der 2 Myon Neutrinos und ein Elektron Neutrino entstehen. Nach fast 2 Jahren Messungen im Super-K stellte man fest, dass das Verhältnis von Myon Neutrinos zu Elektron Neutrinos 1.3:1 beträgt und nicht wie erwartet 2:1. Eine derartige Abweichung ist praktisch unerklärlich, es sei denn die Neutrinos können sich von einer Sorte in die andere umwandeln (oszillieren), also unterschiedliche Massen besitzen (3). Die Tau Neutrinos konnten in diesem Projekt bisher nicht eindeutig nachgewiesen werden, denn sie reagieren nur mit einem Kern, wenn ihre Energie hoch genug ist. Die zunehmend wahrscheinlich werdende Gegebenheit, dass Neutrinos tatsächlich eine Masse besitzen, bleibt nicht ohne Folgen.
Urknall Theorie: Welcher Einfluss hätten Neutrinos mit einer Masse auf die Entstehung des Universums, also auf die Urknall Theorie? Die Urknall Theorie basiert auf drei empirischen Fakten: die Expansion des Universums (Hubble); die Häufigkeiten leichter Elemente; die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die bis heute auf 2.73°K gesunken ist. Als das Universum rund eine Sekunde alt war, koppelten sich die Neutrinos ab und hörten auf mit anderen Teilchen zu wechselwirken. Sie bildeten ein unabhängiges Gas, das sich immer weiter ausdehnte und abkühlte. Heute ist dieses Neutrino-Gas Bestandteil der kosmischen Hintergrundstrahlung (300 Neutrinos / cm3). Die Expansion des Universums ist vom Dichteparameter O abhängig; wobei O = 0 / c , p0 und pc beschreiben die durchschnittliche bzw. kritische Dichte des Gases. Das Universum ist mit Neutrinos (Index: ) ausgefüllt, deshalb wird die Materiedichte durch die Masse des Neutrinos m beeinflusst: O = / c = mi( ) / 94h2 eV; (i = 1,2,3 (Masseneigenzustände); h = H / 100 km / s / Mpc; H: Hubble - Konstante; 1pc=3.086*1016 m = 3.26 Lichtjahre). Ist O > 1, so ist das Universum geschlossen und die gravitative Anziehung stoppt die Expansion. Bei O < 1 ist das Universum offen und dehnt sich immer weiter aus; bei O = 1 ist das Universum flach. (1,6)
Ausblick: Dank erhöhter Empfindlichkeit der neuen Detektoren werden zunehmend präzisere Resultate erzielt. Im Super-K Projekt konnte mit Oszillationsmessungen die Massen- bzw. Energiedifferenzen der drei bekannten Neutrinos erklärt werden. Ergebnisse eines in den U.S.A laufenden Projekts ergab die Existenz einer weiteren Neutrinoart, des sterilen Neutrinos (3). Die Neutrinophysik wird sicherlich noch lange kein abgeschlossenes Kapitel sein, denn absolute Massenwerte der Neutrinos sind noch nicht bekannt; zudem stehen noch viele andere offene Fragen im Raum, ob Neutrinos beispielsweise Dirac- oder Majorana - Teilchen sind oder ob es sterile Neutrinos tatsächlich gibt oder ob sie experimentell ausgeschlossen werden können (2).
Quellen: (1) André Rubbia (1999) Die Neutrinos und ihr Platz im Universum (Videoaufzeichnung/ Einführungsvorlesung). (2) K. Bethge, U.E. Schröder (2006) Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen (3. Auflage). (3) Spektrum der Wissenschaft (Dossier 1/2003) Vom Quant zum Kosmos. (4) Viktor Komatow (1983) Rätselhaftes Weltall. (5) H.V. Klapdor - Kleingrothaus, K. Zuber (1997) Teilchenastrophysik. (6) Christine Sutton (1994) Raumschiff Neutrino: Die Geschichte eines Elementarteilchens.
Tabelle 1: Übersicht der Leptonen (2)
Name Symbol Masse mc2 Lebensdauer Ladung q Spin J [MeV] [s] Elektron e- 0.511 stabil -1 ½ Myon µ- 105.66 2.19610-6 -1 ½ Tauon t- 1776.99 2.9010-13 -1 ½ e-Neutrino e < 2.310-6 stabil 0 ½ µ-Neutrino µ < 0.19 stabil 0 ½ t-Neutrino t < 18.2 stabil 0 ½
Von Fermi getauftes Elementarteilchen: Neutrino – kleines neutrales Objekt

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