Was sind Neutrinos?

Neutrinos, wir suchen dich! Japans Super-Kamiokande-Detektor.Kamioka-Observatorium, ICRR (Institut für Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

VonJohn Beacom,Ohio State Universität

Neutrinos brauchen Geduld. Sie sind es wert, und die Ankündigung der2015 Nobelpreis für Physikerkennt an, dass nach den damit verbundenen Preisen in1988,1995und2002. Ironischerweise können diese fast nicht nachweisbaren Partikel Dinge enthüllen, die auf keine andere Weise gesehen werden können.

Ich könnte Ihnen zunächst sagen, dass Neutrinos Elementarteilchen sind, aber das klingt herablassend. Sie werden nicht elementar genannt, weil sie leicht zu verstehen sind – das sind sie nicht –, sondern weil sie scheinbar punktförmig groß sind und wir sie nicht in kleinere Bestandteile zerlegen können. Es gibt kein halbes Neutrino.

Die kleinsten Dinge im Universum

Atome sind trotz des griechischen Namens („kann nicht geschnitten werden“) keine Elementarteilchen, also zerlegbar. Ein Atom ist eine diffuse Elektronenwolke, die einen winzigen, dichten Kern aus Protonen und Neutronen umgibt, der in Up- und Down-Quarks zerlegt werden kann.

Teilchenbeschleuniger, die Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und zusammenschlagen, helfen uns dabei, neue Elementarteilchen zu entdecken. Erstens wegen E = mc², kann die Energie bei der Kollision in die Masse der Teilchen umgewandelt werden. Zweitens: Je höher die Strahlenergie des Beschleunigers, desto feiner können wir Verbundstrukturen auflösen, so wie wir mit Röntgenstrahlen kleinere Dinge sehen können als mit sichtbarem Licht.

Wir waren nicht in der Lage, Elektronen oder Quarks auseinander zu nehmen. Dies sind Elementarteilchen, die die Grundbestandteile der gewöhnlichen Materie bilden: die Legosteine ​​des Universums. Interessanterweise gibt es viele schwere Verwandte bekannter Teilchen, die nur für Bruchteile einer Sekunde existieren und daher nicht Teil der gewöhnlichen Materie sind. Für Elektronen sind dies beispielsweise das Myon und das Tauon.

Elementarteilchen, von denen Neutrinos eine Art sind. Bildnachweis:MissMJ

Was ist ein Neutrino?

Wie unterscheidet sich dieses Elementarteilchen – das Neutrino – von allen anderen Elementarteilchen? Es ist insofern einzigartig, als es sowohl fast masselos als auch fast wechselwirkungsfrei ist. Diese Merkmale sind unterschiedlich, wenn auch oft miteinander verbunden (nehmen Sie keine Ratschläge zu Neutrinos von einem Dichter an, auch wenn es so istJohn Updike).

Es ist ein Rätsel, warum Neutrinos fast, aber nicht ganz masselos sind. Wir wissen jedoch, warum sie fast wechselwirkungsfrei sind: Sie spüren nicht die elektromagnetischen oder starken Kräfte, die Kerne und Atome binden, sondern nur die treffend benanntenschwache Kraft(und Schwerkraft, aber kaum, weil ihre Massen klein sind).

Obwohl Neutrinos keine Bestandteile der gewöhnlichen Materie sind, sind sie überall um uns herum – eine Billion Sonnenstrahlen gehen jede Sekunde durch Ihre Augen. Es gibt Hunderte pro Kubikzentimeter, die vom Urknall übrig geblieben sind. Da sie so selten interagieren, ist es fast unmöglich, sie zu beobachten, und Sie fühlen sie sicherlich nicht.

Neutrinos haben andere seltsame Aspekte. Sie kommen in drei Arten vor, die als Geschmacksrichtungen bezeichnet werden – Elektron-, Myon- und Tauon-Neutrinos, entsprechend den drei geladenen Teilchen, mit denen sie sich paaren – und alle scheinen im Gegensatz zu den schweren Verwandten des Elektrons stabil zu sein.

Da die drei Geschmacksrichtungen von Neutrinos fast identisch sind, besteht die theoretische Möglichkeit, dass sie sich ineinander verwandeln können, was ein weiterer ungewöhnlicher Aspekt dieser Teilchen ist, der neue Physik aufdecken kann. Diese Transformation erfordert drei Dinge: dass Neutrinomassen ungleich null sind, sich für verschiedene Typen unterscheiden und dass Neutrinos mit bestimmter Geschmacksrichtung Quantenkombinationen von Neutrinos bestimmter Masse sind (dies wird als „Neutrinomischung“ bezeichnet).

Jahrzehntelang wurde allgemein erwartet, dass keine dieser Bedingungen erfüllt sein würde. Allerdings nicht von Neutrinophysikern – wir haben gehofft.

Astronomie mit unsichtbaren Teilchen machen

Am Ende stellte die Natur zur Verfügung und Experimentalisten entdeckten, unterstützt durch Berechnungen von Theoretikern. Zuerst kamen jahrzehntelange Suche durch viele Experimente, mit wichtigen Hinweisen, um die Jagd zu fördern.

Dann in1998, dasSuper-Kamiokande-Experimentin Japan gab starke Beweise dafür bekannt, dass Myon-Neutrinos, die in der Erdatmosphäre produziert werden, zu einem anderen Typ wechseln (jetzt gilt er als Tauon-Neutrino). Der Beweis war, dass dies für Neutrinos geschah, die von „unten“ kamen und eine lange Strecke durch die Erde zurückgelegt hatten, aber nicht für diejenigen von „oben“, die nur die kurze Strecke durch die Atmosphäre zurückgelegt hatten. Da der Neutrinofluss an verschiedenen Orten der Erde (nahezu) gleich ist, ermöglichte dies eine „Vorher“- und „Nachher“-Messung.

Ansicht von unten auf das Acrylgefäß des Sudbury Neutrino Observatory und das PMT-Array. Bildnachweis:Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory

In2001und2002, dasSudbury Neutrino-Observatoriumin Kanada verkündete starke Beweise dafür, dass im Kern der Sonne produzierte Elektron-Neutrinos auch Geschmacksrichtungen verändern. Diesmal war der Beweis, dass Neutrinos mit Elektronenaroma, die verschwanden und dann als andere Typen wieder auftauchten (jetzt angenommen wird, dass es sich um eine Mischung aus Myon- und Tauon-Neutrinos handelt).

Jedes dieser Experimente sah etwa halb so viele Neutrinos, wie von theoretischen Vorhersagen erwartet. Und, vielleicht passenderweise, erhielten Takaaki Kajita und Arthur McDonald jeweils einen halben Nobelpreis.

In beiden Fällen wurden auf terrestrischen und astronomischen Entfernungsskalen quantenmechanische Effekte beobachtet, die normalerweise nur in mikroskopischen Entfernungen wirken.

Als Titelseite der New York Timesgenannt1998, „Masse in schwer fassbaren Partikeln gefunden; Das Universum kann niemals dasselbe sein.“ Diese klaren Hinweise auf eine Neutrino-Geschmacksänderung, die in Laborexperimenten bestätigt und detailliert gemessen wurden, zeigen, dass Neutrinos eine Masse haben und dass diese Massen für verschiedene Neutrinotypen unterschiedlich sind. Interessanterweise kennen wir die Werte der Massen noch nicht, obwohl andere Experimente zeigen, dass sie etwa eine Million Mal kleiner sein müssen als die Masse eines Elektrons, und vielleicht sogar kleiner.

Das ist die Schlagzeile. Der Rest der Geschichte ist, dass die Mischung zwischen verschiedenen Neutrino-Aromen tatsächlich ziemlich groß ist. Man könnte meinen, es sei eine schlechte Nachricht, wenn Vorhersagen scheitern – zum Beispiel, dass wir nie eine Neutrino-Geschmacksänderung beobachten könnten – aber diese Art von Fehlschlag ist gut, weil wir etwas Neues lernen.

Internationale Gesellschaft der Neutrinojäger

Arthur B. McDonald, emeritierter Professor an der Queen's University in Kanada, spricht am 6. Oktober 2015 mit Reportern der Queen's University in Kingston, Ontario. McDonald und der Japaner Takaaki Kajita erhielten 2015 den Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckung, dass Neutrinos , die als die am schwersten fassbaren Teilchen der Natur bezeichnet werden, haben eine Masse, teilte die preisgebende Körperschaft am Dienstag mit. REUTERS/Lars Hagberg – RTS3AOV

Takaaki Kajita auf einer Pressekonferenz nach der Ankündigung, dass er den Nobelpreis für Physik gewonnen hat. Bildnachweis: Kato/Reuters

Ich freue mich sehr über diese Anerkennung für meine Freunde Taka und Art. Ich wünschte, mehrere Schlüsselpersonen, sowohl Experimentatoren als auch Theoretiker, die auf wesentliche Weise beigetragen haben, wären in ähnlicher Weise anerkannt worden. Es dauerte viele Jahre, diese Experimente zu bauen und zu betreiben, die selbst auf langsamer, schwieriger und weitgehend unbelohnter Arbeit von Jahrzehnten aufbauten und den Einsatz von Hunderten von Menschen erforderten. Dazu gehört eine bedeutende US-Beteiligung sowohl am Super-Kamiokande als auch am Sudbury Neutrino Observatory. Herzlichen Glückwunsch an die Neutrinos, an Taka und Art und an die vielen anderen, die dies möglich gemacht haben!

Als ich vor über 20 Jahren anfing, an Neutrinos zu arbeiten, sagten mir viele Leute, darunter prominente Wissenschaftler, dass ich meine Zeit verschwende. Später drängten mich andere, an etwas anderem zu arbeiten, denn „Menschen, die an Neutrinos gearbeitet haben, bekommen keine Jobs“. Und selbst jetzt denken viele Physiker und Astronomen, dass wir etwas fast Imaginäres jagen.

Aber wir sind es nicht. Neutrinos sind real. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil der Physik und geben Aufschluss über den Ursprung der Masse, dieTeilchen-Antiteilchen-Asymmetriedes Universums und vielleicht die Existenz neuer Kräfte, die zu schwach sind, um sie mit anderen Teilchen zu testen. Und sie sind ein wesentlicher Bestandteil der Astronomie, da sie die energiereichsten Beschleuniger im Universum, das Innere der dichtesten Sterne und vielleicht neue und sonst ungesehene astrophysikalische Objekte enthüllen.

Der Autor beschreibt, wie die Fakten, die wir über das Universum erfahren, unseren Sinn formen.

Winzige Partikel, große Geheimnisse

Warum sollte es dich interessieren, außer unsere Neugier zu teilen, einige der seltsamsten Dinge des Universums zu enthüllen?

Die schwache Kraft, die Neutrinos spüren, ist es, die Protonen in Neutronen verwandelt, Kernfusionsreaktionen in der Sonne und anderen Sternen antreibt und die Elemente schafft, die Planeten und das Leben selbst möglich machen.

Neutrinos sind die einzige Komponente der Dunklen Materie, die wir verstehen, und den Rest herauszufinden, wird uns helfen, die Struktur und Entwicklung des Universums zu verstehen. Wenn die Neutrinomassen viel größer gewesen wären, würde das Universum ganz anders aussehen, und vielleicht wären wir nicht hier, um es zu sehen.

Schließlich, wenn Sie rein praktisch sind, ist Neutrino- und Astrophysik eine der schwierigsten Aufgaben, die von uns die Erfindung unglaublich empfindlicher Detektoren und Techniken erfordert. Dieses Wissen hat andere Verwendungen; Beispielsweise könnten wir mit einem Neutrino-Detektor feststellen, ob ein angeblicher Kernreaktor eingeschaltet ist, wie hoch seine Leistung ist und ob er sogar Plutonium produziert. Dies kann einige reale Anwendungen haben.

Die letzten Jahrzehnte in der Neutrinophysik und Astronomie waren großartig, aber einige der aufregendsten Dinge beginnen gerade erst zu passieren. DieIceCube Neutrino-Observatoriumam Südpol sieht jetzt hochenergetische Neutrinos von außerhalb unserer Galaxie. Super-Kamiokande hat einen Plan angekündigt, basierend auf aVorschlagvon mir und Mark Vagins, um ihre Empfindlichkeit gegenüber Antineutrinos im Vergleich zu Neutrinos zu verbessern. Und die internationale Gemeinschaft hofft, eine große neue Neutrinoanlage zu bauen, in der ein starker Neutrinostrahl von Fermilab in Illinois zu einem Detektor tief unter der Erde in der Homestake-Mine in South Dakota geschickt wird. Wer weiß, was wir finden?

Und darauf habe ich wirklich gewartet.

John Beacom, Professor für Physik, Professor für Astronomie und Direktor des Zentrums für Kosmologie und Astroteilchenphysik (CCAPP),Ohio State Universität

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