Neutrino

Neutrino, elektrisch neutrales Elementarteilchen mit einer viel geringeren Masse als ein Elektron – möglicherweise hat es sogar die Masse null. Dieses Teilchen gehört zur Familie der Leptonen und besitzt einen Spin (Eigendrehimpuls) von y.

Neutrinos unterliegen keiner starken Wechselwirkung, d. h. sie werden nicht von den Kernkräften beeinflusst (siehe Elementarteilchen: Wechselwirkungen). Diese Teilchen gehören auch zur Familie der Fermionen, weil sie der so genannten Fermi-Dirac-Statistik gehorchen. Bei diesem Modell handelt es sich um eine Quantenstatistik für ein thermodynamisches System (siehe Thermodynamik) aus gleichartigen, nicht unterscheidbaren Teilchen mit Spin y und kleiner Wechselwirkungsenergie. Die Statistik wurde gleichzeitig von den Physikern Enrico Fermi und Paul Adrien Maurice Dirac entwickelt.

Die Suche nach den Neutrinos begann mit dem Versuch, den Energiedefekt beim Betazerfall zu erklären (siehe Radioaktivität; Betateilchen). In Betazerfallsprozessen findet die Abgabe von Elektronen auf eine Art und Weise statt, dass die Summe von Energie, Impuls und Spin nicht gleich zu bleiben scheint. Dieser Sachverhalt widersprach den Energie- und Drehimpulserhaltungssätzen (siehe Erhaltungssätze; Radioaktivität). Um diese Ungereimtheit zu deuten, führte der österreichische Physiker Wolfgang Pauli 1931 das Neutrino als noch hypothetisches Teilchen ein.

Da es keine Ladung und eine zu vernachlässigende Masse besitzt, ist das Neutrino schwer zu fassen. Untersuchungen bestätigten seine besonderen Eigenschaften z. B. durch die Messung des Rückstoßes, den es bei anderen Teilchen verursacht. Trillionen von Neutrinos wandern in jeder Sekunde durch die gesamte Erde, wobei nur ein winziger Teil davon mit anderen Teilchen reagiert. Einen schlüssigen Beweis ihrer Existenz lieferten 1956 die amerikanischen Physiker Frederick Reines und Clyde Lorrain Cowan jun.

Man kennt drei Arten von Betazerfallsreaktionen. Im ersten Fall wandelt sich ein Neutron (n) in ein Proton (p), ein Elektron (e^-) und ein Antineutrino um (so genannte Elektronenemission). Im zweiten Fall wandelt sich ein Proton in ein Neutron um, wobei außerdem ein Positron (e⁺) und ein Neutrino (ν_e) entstehen (so genannte Positronemission). Bei dem dritten Fall handelt es sich um eine Elektroneneinfangreaktion (siehe Einfangprozesse).

Cowan und Reines nutzten die Antineutrinostrahlung aus der ersten Betazerfallsreaktion. Sie ließen praktisch Antineutrinos mit Protonen zu Neutronen und Positronen reagieren. Diese Reaktion lief jedoch anscheinend nicht in jedem Fall ab. Eine andere Art von hochenergetischem Neutrino, das so genannte Myonneutrino (ν_µ), wird zusammen mit einem Myon (µ) beim Zerfall eines Pion (p) gebildet (siehe Atom). Wenn ein Pion zerfällt, muss zur Impulserhaltung ein neutrales Teilchen abgegeben werden, das sich in die der Richtung des Myons entgegengesetzte Richtung bewegt. Ursprünglich wurde angenommen, dass dieses Teilchen das gleiche Neutrino ist, das im Betazerfall den Impuls erhält. 1962 wurde jedoch durch Untersuchungen bewiesen, dass das beim Pionzerfall entstehende Neutrino anderer Natur ist. Die von Cowan und Reines durchgeführte Reaktion klappt nicht mit Myonneutrinos. Mit der Entdeckung des so genannten Tauons 1975 vermutete man die Existenz eines dritten Neutrinotyps. Der experimentelle Beleg für die Existenz für dieses Tauneutrino (ν_t) gelang einem internationalen Forscherteam im Sommer 2000.

Im Augenblick stößt die Möglichkeit, dass Neutrinos von einer Form zur anderen oszillieren können, auf großes Interesse. Beweise dafür sind sehr indirekt, aber ihre Erbringung würde belegen, dass das Neutrino tatsächlich Masse besäße. Ein solcher Beweis hätte revolutionierende Auswirkungen auf Kosmologie und Physik im Allgemeinen. Diese zusätzliche Masse im Universum könnte bedeuten, dass sich das Universum nicht weiter ausdehnen wird, sondern sich vielleicht sogar zusammenziehen wird. Einige Wissenschaftler leiten aus dem Nachweis der Neutrinos bei der Supernova SN 1987 A ab, dass das Neutrino Masse besitzt. Diese Vermutungen wurden Ende August 1997 durch ein besonderes Experiment von japanischen Teilchenphysikern untermauert. Den Forschern gelang es mit Hilfe einer gigantischen Versuchsanordnung (Superkamiokande), in deren Zentrum ein riesiger mit hochempfindlichen Lichtdetektoren ausgestatteter Wassertank stand, die geringe Masse von Neutrinos nachzuweisen.

Und auch ein weiteres Untersuchungsergebnis deutete auf die Masse von Neutrinos hin. Bei einem Vergleich der Daten des Superkamiokande-Experiments mit denen des Sudbury-Neutrino-Experiments (Großbritannien, Kanada, USA) konnten Forscher im Juli 2001 möglicherweise den Grund dafür finden, warum weniger Elektronneutrinos von der Sonne zur Erde gelangen, als dies nach Berechnungen hätte sein müssen. Offenbar kommen von der Sonne nicht nur Elektronneutrinos auf der Erde an, sondern auch Myon- bzw. Tauneutrinos. Die Experten schlussfolgerten, dass ein Teil der Elektronneutrinos sich auf dem Weg zur Erde offensichtlich in Myon- bzw. Tauneutrinos umwandeln. Diese Wandlung wäre allerdings nur erklärbar, wenn die Teilchen sich in veränderbaren Schwingungszuständen befänden. Und das wiederum zwingt zur Vermutung, Neutrinos besitzen eine Masse. Hierzu sollen weitere Untersuchungen folgen, denn falls Neutrinos tatsächlich eine Masse besitzen, so müssten Physiker das Standardmodell der Elementarteilchen überarbeiten.

Siehe auch Physik; Astrophysik; Leon Max Lederman; Melvin Schwartz; Martin Lee Perl; Jack Steinberger