Gegenseitige Transformation verschiedener Arten von Neutrinos

08.10.2015

Die sehr schwache Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie ist bekannt. Sie können die Erde oder die Sonne passieren, ohne ein einziges Atom zu stören. Außerdem können sie auf diese Weise Milliarden von Sternen passieren. Das macht es einerseits schwierig, ihre Eigenschaften zu erfassen und zu messen, andererseits sind sie eine Quelle der wichtigsten Informationen über die Entwicklung des Universums und die Vorgänge im Inneren von Sternen. Wissenschaftler glauben auch, dass Neutrinos eine Schlüsselrolle bei der Erklärung der Asymmetrie von Materie und Antimaterie im Universum spielen können, die darin besteht, dass es nach dem Urknall keine vollständige gegenseitige Vernichtung von Materie und Antimaterie gab und ein Teil der Materie noch überlebte und bildeten unser Universum.

Eines der Probleme mit Neutrinos ist das Problem ihrer Masse. Lange Zeit ging man davon aus, dass das Neutrino keine Masse hat. So wurden sie in der ursprünglichen Version des Standardmodells berücksichtigt. Die Lösung dieser Frage ist nicht nur für das Verständnis der Physik der Elementarteilchen wichtig. Neutrinos werden durch Kernreaktionen im Universum erzeugt und sind nach Photonen die häufigsten Teilchen darin. Ihre Zahl ist riesig. Mehr als 60 Milliarden Neutrinos passieren jede Sekunde einen Quadratzentimeter. So kann selbst bei einer sehr kleinen eigenen Masse die Gesamtmasse aller Neutrinos sehr groß sein und die Entwicklung des Universums beeinflussen. Nach modernen Schätzungen entspricht die Masse aller Neutrinos ungefähr der Masse aller sichtbaren Sterne im Universum.

Ein weiteres Problem entstand bei der Bestimmung der Zahl der Elektron-Neutrinos, die von der Sonne zur Erde kommen. Seit den 1970er Jahren haben Experimente nur noch ein Drittel der theoretisch vorhergesagten Zahl registriert. Dies wurde als Defizit in der Zahl der Elektron-Neutrinos bezeichnet. Zur Erklärung des Phänomens wurden zwei Dutzend Annahmen aufgestellt, von denen die Hypothese der sogenannten Neutrinooszillationen (Oszillationen) gewann. Es ging davon aus, dass sich Elektron-Neutrinos auf ihrem Weg von der Sonne in andere Arten von Neutrinos verwandelten, die in Experimenten nicht nachgewiesen wurden. Interessanterweise wurde die Idee der Elementarteilchenschwingungen bereits 1957 vom sowjetischen Akademiker Bruno Pontecorvo zum Ausdruck gebracht. Neutrinooszillationen wurden in der zweiten Hälfte der 1990er Jahre ernsthaft diskutiert.

Derzeit sind drei Arten von Neutrinos bekannt, von denen jede immer zusammen mit dem entsprechenden Lepton geboren wird – einem Elektron, einem Myon oder einem Tau-Lepton, von dem sie ihre Namen haben. Entsprechend der Hypothese der Neutrino-Oszillationen findet zeitlich und räumlich periodisch ein Prozess der Umwandlung von Neutrinos ineinander statt. So erscheint in dem zunächst nur aus Elektron-Neutrinos bestehenden Strahl bei seiner Ausbreitung eine Beimischung von Myon- und Tau-Neutrinos bei gleichzeitiger Abnahme des Anteils von Elektron-Neutrinos.

Seltsamerweise stellte sich heraus, dass die Lösung dieses Problems mit dem Problem der Neutrinomasse zusammenhängt. Tatsache ist, dass Neutrinooszillationen nur möglich sind, wenn sie Massen haben.

Der Grund dafür ist nach modernen Vorstellungen, dass die Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos eine Quantenmischung aus drei Zuständen mit unterschiedlichen Massen sind, von denen jeder mit seinem Anteil eintritt. Wir können sagen, dass die Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos aus drei Wellen bestehen, von denen jede mit ihrer eigenen Frequenz und Amplitude schwingt. Wenn also die Summe dieser Wellen zu Beginn wie ein Elektron-Neutrino aussah, summieren sich diese Wellen nach einer Weile so, dass eine Mischung aus Myon- und Tau-Neutrinos auftritt, die von Experimentatoren als a gemessen wird Defizit in der Zahl der Elektron-Neutrinos.

Physiker glauben also seit langem, dass Neutrinos eine Masse haben, obwohl diese noch nicht direkt gemessen wurde. Es wurde sogar eine entsprechende geringfügige Modifikation der Formeln des Standardmodells vorgenommen, die dessen Wesensgehalt nicht verletzte. Experimentelle Beweise dafür wurden jedoch um die Wende vom 2015. zum XNUMX. Jahrhundert erhalten. Die Nobelpreisträger von XNUMX, der Japaner Takaaki Kajita und der Kanadier Arthur McDonald, waren die Schlüsselfiguren in den beiden großen Forschungsgruppen, die Neutrino-Oszillationen untersuchten.

1998 wurden die Ergebnisse japanischer Wissenschaftler zu den Oszillationen atmosphärischer Neutrinos veröffentlicht, die durch die Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit Atomkernen atmosphärischer Gase entstehen und im Super-Kamiokande-Experiment erhalten wurden. Wenn ein Neutrino im Detektortank mit einem Wassermolekül kollidiert, entsteht ein schnelles, elektrisch geladenes Teilchen. Es erzeugt Tscherenkow-Strahlung, die von Lichtsensoren gemessen wird. Seine Form und Intensität verraten die Art des Neutrinos und seine Herkunft. Die Myon-Neutrinos, die von oben kamen, waren zahlreicher als diejenigen, die den längeren Weg um die Erde zurücklegten. Dies zeigt, dass sich die Myon-Neutrinos im zweiten Fall in andere Arten von Neutrinos verwandelten.

Im Jahr 2001 wurden solare Neutrino-Oszillationen am Sudbury Neutrino Observatory (SNO - Sudbury Neutrino Observatory) nachgewiesen. Dort ermöglichten Reaktionen zwischen Neutrinos und schwerem Wasser im Detektortank, die Anzahl der beiden Elektron-Neutrinos und aller drei Arten von Neutrinos zusammen zu messen. Die Zahl der Elektron-Neutrinos war geringer als erwartet, während die Gesamtzahl aller drei Arten von Neutrinos zusammen den Erwartungen entsprach. Daraus folgte, dass sich einige der Elektron-Neutrinos in andere Arten von Neutrinos verwandelten.

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