Physiker kennen die Masse eines Neutrinos nicht, aber jetzt wissen sie, dass sie nicht größer als 1 Elektronenvolt ist
Die Standardmodell der Teilchenphysik ist eine der beeindruckendsten Leistungen der Wissenschaft. Es ist ein rigoroser, präziser Versuch, drei von diesen zu verstehen und zu beschreiben vier fundamentale Kräfte des Universums: die elektromagnetische Kraft, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft. Die Schwerkraft fehlt, weil es bisher äußerst schwierig war, sie in das Standardmodell einzupassen.
Aber es gibt einige Löcher im Standardmodell, und eines davon betrifft die Masse des Neutrinos.
Die Existenz des Neutrinos wurde erstmals 1930 vorgeschlagen und dann 1956 entdeckt. Seitdem haben Physiker gelernt, dass es drei Arten von Neutrinos gibt, und sie sind reichlich vorhanden und schwer fassbar. Nur spezielle Einrichtungen können sie erkennen, da sie selten mit anderer Materie interagieren. Es gibt mehrere Quellen für sie, und einige von ihnen rasen seit dem Urknall durch den Weltraum, aber die meisten Neutrinos in der Nähe der Erde stammen von der Sonne.
Das Standardmodell sagt voraus, dass Neutrinos keine Masse haben, wie Photonen. Physiker haben jedoch herausgefunden, dass sich die drei Arten von Neutrinos bei ihrer Bewegung ineinander umwandeln können. Das sollten sie laut Physikern nur können, wenn sie Masse haben.
Das Standardmodell der Elementarteilchen. Bild: Von MissMJ – Eigene Arbeit von Uploader, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, CC BY 3.0
Aber wie viel Masse? Diese Frage beschäftigt Teilchenphysiker. Und diese Frage zu beantworten ist Teil der Motivation der Wissenschaftler von KATRIN (Karlsruher Tritium Neutrino Experiment).
Das hochauflösende 10-Meter-Spektrometer im Herzen von KATRIN (Karlsruher Tritium-Neutrino-Experiment. Bildquelle: KATRIN-Kollaboration.
„Diese Erkenntnisse der KATRIN-Kollaboration reduzieren den bisherigen Massenbereich für das Neutrino um den Faktor zwei…“
HAMISH ROBERTSON, KATRIN WISSENSCHAFTLERIN UND EM. PROFESSOR FÜR PHYSIK AN DER UNIVERSITÄT VON WASHINGTON.
Ein Forscherteam hat darauf einen Teil der Antwort gefunden: Die Masse des Neutrinos darf nicht größer als 1,1 Elektronenvolt (eV) sein. Dies ist eine Verringerung der oberen Grenze der Masse eines Neutrinos um fast 1 eV; von 2 eV bis hinab zu 1,1 eV. Aufbauend auf früheren Experimenten, die die untere Massengrenze bei 0,02 eV festlegten, haben diese Forscher einen neuen Bereich für die Masse des Neutrinos festgelegt. Es zeigt, dass ein Neutrino weniger als 1/500.000stel der Masse eines Elektrons hat. Dies ist ein wichtiger Schritt in der Weiterentwicklung des Standardmodells.
„Die Kenntnis der Masse des Neutrinos wird es Wissenschaftlern ermöglichen, grundlegende Fragen der Kosmologie, Astrophysik und Teilchenphysik zu beantworten…“
Hamish Robertson, KATRIN-Wissenschaftler und emeritierter Professor für Physik an der University of Washington.
Die Forscher hinter dieser Arbeit kommen aus 20 verschiedenen Forschungseinrichtungen weltweit. Sie arbeiten mit KATRIN am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland. Die KATRIN-Anlage verfügt über ein hochauflösendes 10-Meter-Spektrometer, mit dem Elektronenenergien mit hoher Präzision gemessen werden können.
Das KATRIN-Instrument verfügt über ein hochauflösendes Spektrometer, das es ermöglicht, Elektronenvolt mit extremer Präzision zu messen. Diese Grafik zeigt den Aufbau und die wesentlichen Merkmale der KATRIN-Versuchsanlage am Karlsruher Institut für Technologie. Bildquelle: Karlsruher Institut für Technologie
Das KATRIN-Team präsentierte seine Ergebnisse auf der 2019 Themen in Astroteilchen- und Untergrundphysik Konferenz in Toyama, Japan, am 13. September.
„Die Kenntnis der Masse des Neutrinos wird es Wissenschaftlern ermöglichen, grundlegende Fragen der Kosmologie, Astrophysik und Teilchenphysik zu beantworten, beispielsweise wie sich das Universum entwickelt hat oder welche Physik jenseits des Standardmodells existiert“, sagte Hamish Robertson, ein KATRIN-Wissenschaftler und emeritierter Professor für Physik an der Universität Washington. „Diese Erkenntnisse der KATRIN-Kollaboration reduzieren den bisherigen Massenbereich für das Neutrino um den Faktor zwei, stellen strengere Kriterien für die tatsächliche Masse des Neutrinos und bieten einen Weg, seinen Wert definitiv zu messen.“
Neutrinos sind notorisch schwer zu entdecken, obwohl sie reichlich vorhanden sind. Nur Photonen sind häufiger. Wie der Name schon sagt, sind sie elektrisch neutral. Dies macht es extrem schwierig, sie zu entdecken. Es gibt Neutrino-Observatorien tief im antarktischen Eis und auch tief in verlassenen Minen. Sie verwenden oft schweres Wasser, um die Neutrinos zur Interaktion zu verleiten. Wenn ein Neutrino interagiert, produziert es Cherenkov-Strahlung das lässt sich messen.
Neutrinos sind fast unmöglich zu entdecken. Ein Neutrino-Observatorium, IceCube Neutrino Laboratory genannt, versucht, sie zu entdecken, indem es Detektorketten tief in das kalte, dunkle antarktische Eis versenkt, wo es versucht, die seltenen Zeiten zu beobachten, in denen Neutrinos mit anderer Materie interagieren. Dieses Bild zeigt eine visuelle Darstellung eines der energiereichsten Neutrino-Detektionen, die einer Ansicht des IceCube-Labors am Südpol überlagert ist. Bildnachweis: IceCube-Kollaboration.
„Wenn man das Sonnensystem fünfzigmal über die Umlaufbahn von Pluto hinaus mit Blei auffüllt, würde etwa die Hälfte der von der Sonne emittierten Neutrinos das Sonnensystem verlassen, ohne mit diesem Blei zu interagieren“, sagte Robertson.
Die Geschichte des Neutrinos hat sich im Laufe der Zeit mit Experimenten wie KATRIN weiterentwickelt. Ursprünglich sagte das Standardmodell voraus, dass Neutrinos keine Masse haben würden. Aber im Jahr 2001 zeigten zwei verschiedene Detektoren, dass ihre Masse nicht Null ist. Der Nobelpreis für Physik 2015 wurde verliehen an zwei Wissenschaftler die gezeigt haben, dass Neutrinos zwischen Typen oszillieren können, was zeigt, dass sie Masse haben.
Die KATRIN-Anlage misst indirekt die Masse von Neutrinos. Es funktioniert, indem es den Zerfall von Tritium überwacht, einer hochradioaktiven Form von Wasserstoff. Beim Zerfall des Tritiumisotops emittiert es Teilchenpaare: ein Elektron und ein Anti-Neutrino. Zusammen teilen sie sich 18.560 eV Energie.
Das verräterische blaue Leuchten der Cherenkov-Strahlung aus dem Advanced Test Reactor in Idaho. Bildnachweis: Von Argonne National Laboratory – ursprünglich auf Flickr als Advanced Test Reactor Core gepostet, Idaho National LaboratoryHochgeladen mit F2ComButton, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27024528
In den meisten Fällen teilt sich das Teilchenpaar die 18.560 eV zu gleichen Teilen. Aber in seltenen Fällen nimmt das Elektron die meiste Energie auf und lässt dem Neutrino nur sehr wenig übrig. Auf diese seltenen Fälle konzentrieren sich Wissenschaftler.
Wegen E=mC2 muss in diesen seltenen Fällen auch die winzige Energiemenge, die dem Neutrino übrig bleibt, seiner Masse entsprechen. Da KATRIN das Elektron genau vermessen kann, kann es auch die Masse des Neutrinos bestimmen.
„Die Auflösung der Masse des Neutrinos würde uns in eine schöne neue Welt führen, um ein neues Standardmodell zu erstellen“, sagte Peter Doe, ein Forschungsprofessor für Physik an der University of Washington, der an KATRIN arbeitet.
Dieses neue Standardmodell, das Doe erwähnt, hat möglicherweise das Potenzial, dunkle Materie zu erklären, die den größten Teil der Materie im Universum ausmacht. Bemühungen wie KATRIN könnten eines Tages eine weitere, vierte Art von Neutrino entdecken, die als steriles Neutrino bezeichnet wird. Bisher ist dieser vierte Typ nur eine Vermutung, aber er ist ein Kandidat für dunkle Materie.
Eine Computersimulation der Verteilung der Materie im Universum. Orangene Regionen beherbergen Galaxien; blaue Strukturen sind Gas und dunkle Materie. Es ist möglich, dass es eine vierte Art von unentdeckten Neutrinos gibt, die als steriles Neutrino bezeichnet wird und möglicherweise für die gesamte dunkle Materie im Universum verantwortlich ist. Bildnachweis: TNG-Kollaboration
'Neutrinos sind seltsame kleine Teilchen', sagte Doe. „Sie sind so allgegenwärtig, und wir können so viel lernen, wenn wir diesen Wert erst einmal bestimmt haben.“
Es ist wichtig zu zeigen, dass Neutrinos eine Masse haben, und die Reichweite dieser Masse einzuschränken. Aber Teilchenphysiker wissen immer noch nicht, wie sie ihre Masse gewinnen. Es ist wahrscheinlich anders als die Art und Weise, wie andere Teilchen ihres erhalten.
Ergebnisse wie diese von KATRIN helfen dabei, eine Lücke im Standardmodell und in unserem Gesamtverständnis des Universums zu schließen. Das Universum ist voll von alten Neutrinos aus dem Urknall, und jeder Fortschritt in der Masse des Neutrinos hilft uns zu verstehen, wie sich das Universum gebildet und entwickelt hat.
Mehr:
- Pressemitteilung: KATRIN halbiert die Massenschätzung für das schwer fassbare Neutrino
- Karlsruher Institut für Technologie: KATRIN
- CERN: Das Standardmodell
- Symmetrie-Magazin: Fünf Geheimnisse, die das Standardmodell nicht erklären kann
- MIT News: 3Q: Wissenschaftler halbieren die Schätzung der Neutrinomasse
