Neutrino

Dit Woort hett noch annere Bedüden: kiek dorför ünner Neutrino (Mehrdüdig Begreep).

Dat Neutrino is en Elementardeelken vun de Physik un hett keen elektrische Ladung. Dat höört to de Leptonen un dorüm gliektietig ok to de Fermionen. Neutrinos warrt blots dör de swacke Wesselwirken bedrapen un dör de Gravitatschoon, as jeed Elementardeelken. As Fermion wiest dat Neutrino in’t Standardmodell den Spin 1/2 op un en negative Helizität. De Wohrschienlichkeit, dat en Neutrino wesselwirken deit is bannig lütt. De Nawies för’t Neutrino is bannig swoor un geiht blots över den laadten un neutralen Stroom, also över’t Z-Boson oder’t W-Boson as Uttuuschdeelken vun de swacke Wesselwirken. Dat Teken för’t Neutrino is de greeksche Bookstaav ν. De Beteken is vun Enrico Fermi vörslahn worrn un bedüüt so veel as „lütt Neutron“

Egenschoppen

Neutrinogeneratschonen un Antineutrinos

Vun de Leptonen sünd dree Generatschonen bekannt, de jede ut en Poor vun elektrisch laadte Deelken (Elektron, Myon un Tauon) un elektrische neutrale Neutrinos (Elektron-Neutrino ($\nu _{e}$), Myon-Neutrino ($\nu _{\mu }$) und Tau- oder Tauon-Neutrino ($\nu _{\tau }$)) bestaht. All de Leptonen drägt de so nöömte „Swacke Ladung“ un den Spin 1/2. Butendem gifft dat to jeed Neutrino ok en Antideelken, dat Antineutrino, also en Elektron-Antineutrino (${\overline {\nu }}_{e}$), en Myon-Antineutrino (${\overline {\nu }}_{\mu }$) un en Tauon-Antineutrino (${\overline {\nu }}_{\tau }$).

De Leptonen ünnerscheedt sik vun Generatschoon to Generatschoon blots dör de ünnerscheedlichen Massen vun de elektrisch laadten Deelken. Vun de de Massen vun de Neutrinos is dorgegen opstunns blots jemehr bövere Grenz bekannt. De Tall vun de Neutrinoorden mit en Neutrinomasse, de lütter is as de halve Masse vun’t Z-Boson, is in Präzisionsexperimenten to’n Bispeel an’n L3-Detekter an’t CERN to nipp un nau dree bestimmt worrn.

Dat schall Henwiesen geven op en dubbelten Betaverfall ahn Neutrinos. För de Karnphyasik de dat bedüden, dat dat Wohren vun de Leptonentall besehrt warrt oder dat Neutrino sien egen Antideelken weer. In de quantenfeldtheoreetsche Beschrieven de dat heten, dat dat Neutrinofeld keen Dirac-Spinor, man en Majorana-Spinor weer. Dat stünn in’n Weddersprook to dat hüütige Standardmodell.

De Physikers Tsung-Dao Lee un Chen Ning Yang hebbt en Experiment to’n Ünnersöken vun den Spin vun Neutrinos un Antineutrinos anstött. Dat weer 1956 vun Chien-Shiung Wu dörföhrt un bröch as Resultat, dat de Parität nich ahn Utnahm wohrt blifft. Dat Neutrino wies sik as „Linkshänner“. Dat heet, dat dat Deelken in Betog op sien Bewegen gegen den Klockenwiesersinn roteert. Dordör warrt en objektive Verkloren vun „links“ un „rechts“ mööglich. In’t Rebeet vun de swakcen Wesselwirken mutt dorna bi’n Övergang vun een Deelken to sien Antideelken nich blots de elektrische Ladung, man ok de Parität, also de Spin, vertuuscht warrn. De swacke Wesselwirken ünnerscheedt sik also vun de elektromagnetischen Wesselwirken dör dat Verknütten vun de „swacken Ladung“ mit de Rechts- oder Linkshännigkeit vun en Deelken. Bi de Leptonen un de Quarks hebbt blots de linkshännigen Deelken un jemehr rechtshännigen Antideelken en swacke Ladung. Dorgegen sünd de rechtshännigen Deelken un jemehr linkshännigen Antideelken gegen de swacke Ladung neutral. Deelken mit en swacke Ladung künnt ut dat Vakkum opduken un wedder verswinnen. Dit Phänomen warrt as „spontane (Spegel-)Symmetriebreken“ betekent.

Neutrinomasse

In’t Standardmodell bun de Elementardeelken warrt de Neutrinomasse as NUll ansett bi’t Herleiden vun de Massenegentostännen vun de Fermionen (Leptonen un Quarks) ut de Quantenegentostännen. De Nawies vun de Neutrinomasse bedüüt also, dat dat Modell noch verbetert warrn mutt. Dat gifft Tosätz to dat hüütige Standardmodell un ok enige intressante Grote eenheitliche Theorien, de massive Neutrino vörutseggt.

Experimenten to’n Bestimmen vun de Neutrinomasse splitt sik in dree Gruppen op:

• de direkte Bestimmen vun de Masse ut de Energie, de bi’n Betaverfall fehlt
• dat Beoabchten vun Neutrinooszillatschonen
• indirekt Sluten ut annere Beobachten, de sünners in de beobachten Kosmologie wunnen warrt.

All Resultaten, de publizeert worrn sünd un warrt, warrt vun de Particle Data Group beweert un gaht in den Review of Particle Physics in, de jeed Johr rutkummt.

Dat direkte Meten vun’n Endpunkt vun’t Betaspektrum vun Tritium künnen bit 2006 de möögliche Masse vun Elektronneutrinos op weniger as 2 eV/c² inschränken. en betere Bövergrenz will man dör noch nauere Meten vun’t KATRIN-Experiment an’t Forschungszentrum Karlsruhe rutkriegen, dat en bövere Grenz vun 0,2 eV/c² henkriegen schall. De Meten, de dat bit hüüt geev, künnt noch nich utsluten, dat Elektronneutrinos keen Masse hebbt. So lang de Meetnauigkeit nich üm mehrere Gröttenorden verbetert warrt, is dormit ok nich to reken.

Dat Beobachten vun Neutrinooszillatschonen is en indirekte Meten vun Massenünnerscheden twüschen verschedene Neutrinos. Se beleggt, dat Neutrinos in’n Vergliek to de assozieerten laadten Leptonen wohrhaftig baanig lütte Rohmassen hebbt, de aver nich Null sünd. De bannig lütten Massenünnerscheden bedüüt ok, dat de Massengrenz baven togliek ok en Grenz vör all Orden vun Neutrinos dorstellt.

De drüdde Togang to’n Bestimmen vun Neutrinomassen hett sien Grundlaag in’t Beobachten vun de Anisotropie vun de kosmischen Achtergrundstrahlen dör WMAP un anner Beobachten, de de Parameters vun’t ΛCDM-Modell, also dat hüütige Standardmodell vun de Kosmologie, bestimmt. Dör den Influss vun de Neutrinos op’t Billn vun Strukturen in’t Weltall un op de primordiale Nukleosynthees kann mit Stand vun 2007 de Bövergrenz för de Summ vun de dree Neutrinomassen 0,2 eV/c² annahmen warrn.

Neutrino- un Antineutrinoreakschoon

Neutrinoreakschonen loop samt un sünners över de swacke Wesselwirken af. Neutrinos sünd ok vun de Gavitatschoon bedrapen, man de is so swack, dat se so goot as keen Bedüden hett. Neutrinoreakschonen, d. h. an sik all Reakschonen vun de swacke Wesselwirken, laat sik in dree Kategorien indeelen:

• Elastisch Strein: Dorbi tuuscht en Neutrino mit de tohöörig Lepton Energie un Impuls ut, man de Reakschoonspartners blievt as se sünd. Dat heet, en Ümwanneln in annere Elementardeelken finnt nich statt.
• Laadt Stroom: Hier koppelt en Elementardeelken öve en elektrisch laadt W-Boson an dat Neutrino an. De bedeeligten Deelken wannelt sik dorbi in annere Deelken üm. Dat Uttuuschboson is, afhangig vun de Reakschoon, negativ oder positiv laadt, dat de Ladung wohrt blifft. Nipp un naunahmen, is ok dat elastische Strein en Reakschoon ut disse Kategorie, vun wegen dat ok dorbi en W-Boson uttuuscht warrt. Man de Deelken sünd vörher un naher gliek, sol dat sik de Reakschoon eenfack as’n klassische Strein beschreven warrn kann.
• Neutral Stroom: Dorbi koppelt en Elementardeelken över en elektrisch neutral Z-Boson an dat Neutrino an. Ok dorbi wannelt sik de Deelken in annere üm, man dat Uttuuschboson hett keen Ladung.

Tügen Reakschonen

De eenfacksten Reakschonen, an de Neutrinos bedeeligt sünd, sünd de radioaktiven Betaverfäll, de bi unbestännige Karns spontan vörkamt un keen Inwirken dör annere Deelken bruukt.

Bi’n β⁻-Verfall wannelt sik en Neutron in en Proton üm, wobi en Elektron un en Elektron-Antineutrino tostannen kamt. Op de Even vun de Quanten sennt dorbi een vun de beiden Down-Quarks vun’t Neutron dat intermediäre Vekterboson W^-, wordör sik dat in en Up-Quark ümwnnelt. Dat utsennte W-Boson verfallt denn wieter in en Elektron un en Antineutrino. Hier hannelt sik dat also üm en „laadten Stroom“. De Verfall kummt to’n Bispeel bi fre’e Neutronen vör, aver ok bi Atomkarns, de en groten Överschuss an Neutronen opwiest.

${}_{Z}^{A}\mathrm {X} \to {}_{Z+1}^{A}\mathrm {Y} ^{+}+e^{-}+{\overline {\nu }}_{e}$

En Nuklid wannelt sik ünner Utsennen vun en Elektron un en Antielektronneutrino in en Dochterkarn.

Anners rüm wanelt sik bi’n β⁺-Verfall eh Proton in en Neutron üm un sennt dorbi en Positron un en Elektronneutrino ut. Disse Vörgang passeert bi’n Protonenöverschuss in’n Karn. Vun wegen dat de Produkten ut de Reakschoon sworer sünd, as dat Proton, mutt de Massenünnerscheed vun de Binnenenergie vun Karn opbröcht warrn.

${}_{Z}^{A}\mathrm {X} \to {}_{Z-1}^{A}\mathrm {Y} ^{-}+e^{+}+{\nu }_{e}$

En Nuklid geiht ünner Utsennen vun en Positron un en Elektronneutrino in en Dochterkarn över.

Bi de Proton-Proton-Reakschoon warrt in de Sünn gresige Mengden vun Elektronneutrinos tüügt.

Ok Karnfusionsvörgäng, as se to’n Bispeel in de Sünn afloopt, sünd wichtige Borns för Neutrinos. En Bispeel dorför is de Proton-Proton-Reakschoon, de vör allen bi lütte Steerns vun grote Bedüden is. Dorbi versmölt twee Waterstoffkarns ünner bannig hoge Temperaturen to en Deuteriumkarn, wobi dör’t Ümwanneln vun en Proton in en Neutron en Positron un en Elektronneutrino freesett warrt.

${}^{1}H^{+}+{}^{1}H^{+}\to {}^{2}H^{+}+e^{+}+{\nu }_{e}$

Op Quanteneven is dat de glieke Vörgang as bi’n β⁺-Verfall. In de Sünn loop aver düchtig vele Fusionen in de Sekunn af, so dat hier bannig grote Mengden vun Neutrinos freesett warrt: De Proton-Proton-Reakschoon en veel gröttere Bedüden hett för’t Utforschen vun de Neutrinos. In de Sünn un swore Steerns entstaht Elektron-Neutrinos ünenr annern ok bi’n Bethe-Weizsäcker-Zyklus, de en annern Fusionsvörgang dorstellt. De Beobachten vun de so nömmten Sünnenneutrinos is wichtig, dat een de nauen Vörgäng binnen de Sünn versteiht as ok de fundamentalen Wesselwirken vun de Physik.

Neutrino-Utforschen

Neutrinos wesselwirkt mit jemehr Ümfeld so goot as gor nicht, wat jemehrn Nawies düchtig swoor maakt. Liekers kann de penetrante Natur vun de Neutrinos in de Forschung utnütt warrn. Neutrinos ut kosmische Begeevnissen kamt op de Eer an, wiel elektromagneetsche Strahlen un anndere Deelken tomeist vun de interstellaren Materie afschirmt warrt.

Astrophysik

Toeerst sünd Neutrinos bruukt worrn, üm dat Binnere vun de Sünn uttoforschen. Vun wegen de Diffussion vun de elektromagneetsche Strahlen in de Plasmaschichten ümto, kann de Karn vun de Sünn nich direkt optisch ünnersöcht warrn. De Neutrinos aver, de bi de Karnfusion in de Sünn in grote Tall tostannen kamt, weist blots en swacke Wesselwirken un künnt dat Plasma meist ahn Hinnern dördringen. En Photon bruukt tyypscherwies eenige Dusend Johren, bit dat an de Böverflach vun de Sünn diffundeert. En Neutrino in’t Gegendeel bruukt dorför blots en poor Sekunnen.

Laterhen hett man de Neutrinos nütt to’n Beobachten vun kosmische Objekten un Begeevnissen buten vun uns Sünnsystem. Neutrinos sünd de eenzig bekannten Deelken, op de de interstellare Materie nich düütlich inwirken deit. Elektromagneetsche Strahlen künnt vun Stoff- oder Gaswulken afschirmt warrn oder warrt bi’t Detekteeren op de Eer vun de kosmischen Strahlen överdeckt. De kosmische Strahlen in Form vun supergaue Protonen un Atomkarns kann sik vun wegen den GZK-Cutoff (Wesselwirken mit de Achtergrundstrahlen) nich wieter as hunnert Megaparsec utbreden.

Ok de Middelpunkt vun uns Galaxie is wegen de velen hellen Steerns un dat dichte Gas nich direkt to beobachten. Man gieht aver dorvun ut, dat Neutrinos ut den galaktischen Middelpunkt bald al op de Eer meten warrn künnt. En grote Rull speelt Neutrinos bi’t Beobachten vun Supernovae, de ruchweg 99 % vun jemehr Energie in en Neutrinoblitz freesetten doot. De Neutrinos, de dorbi tosatennen kamt, laat sik op de Er nawiesen un levert dorbi Informatschonen över de Vörgäng in en Supernova. 1987 weern to’n Bispeel Neutrinos nawiest, de bi de Supernova 1987A ut de Groten Magellanschen Wulk kemen: 11 in’t Kamiokande, 8 in’t Irvine Michigan Brookhaven Experiment, 5 in’t Underground Neutrino Observatory un mööglicherwies 5 in’n Baksan-Detekter . Bit hüüt sünd dat eenzigen nawiesten NEutrinos, de mit Sekerheit ut en Supernova stammen deen, vun wegen dat disse Supernova wenige Stünnen later mit Teleskopen beobacht worrn is.

Eperimenten as Amanda, Antares un Nestor sünd för den Nawies vun kosmogenen Neutrinos utleggt.

Deelkenphysik

In de Deelkenphysik sünd Neutrinos vun Bedüden, vun wegen dat se in de utwieten Deelen vun’t Standardmodell de lichtesten Elementardeelken sünd. Wenn een to’n Bispeel en veerte Generatschoon vun Fermionen annimmt (blangen Elektron, Myon un Tauon), künn man dat Neutrino, wat dorto hören de, an’n eenfacksten tügen. Neutrinos künnt ok to’n Ünnersöken vun Quantengravitatschoonseffekten bruukt warrn. Vun wegen dat se nich in tohopensette Deelken (as Protonen oder Neutronen) vörkamt oder na korte Tiet verfallt, künn dat mööglich wesen, disse Effekten to isoleeren un to meten.

Dat CNGS-Experiment (CERN Neutrinos to Gran Sasso) schall sik siet 2007 dormit befaten, de Physik vun de Neutrinos wieter to verkloren. Dorbi warrt en Neutrinostrahl vun’t CERN över en Afstand vun 730 km dör de Eer dör na’t Gran-Sasso-Laboratorium in Italien sennt un dor detekteert. Een poor vun de Myon-Neutrinos Wannelt sik ünnerwegens in annere Neutrinoorden (meist blots Tau-Neutrinos), de denn vun’n OPERA-Detekter nawiest warrn künnt.

Neutrinodetekters

Modell vun’n Kamiokande-Detektor

Hööftartikel: Neutrinodetekter

Bekannt sünd vun de Neutrinodetekters to’n een de radiocheemschen Detekters (as to’n Bispeel dat Chlorexperiment in de Homestake-Goldmien in de USA oder de GALLEX-Detekter in’n Gran-Sasso-Tunnel in Italien) un to’n annern de Detekters, de op Grundlaag vun den Tscherenkow-Effekt funkschoneert, as to’n Bispeel dat Sudbury Neutrino Observatory (SNO) un Super-Kamiokande. Se wiest atmosphäärsche un solare Neutrinos na un geevt Verlööf, ü.a. de Neutrinooszillatschoon to meten un dormit op den Ünnerscheed vun de Neutrinomassen torüchtosluten, vun wegen dat de Reakschonen, de binnen de Sünn afloopt, goot bekannt sünd un dormit ok de Emisschonen vun de Neutrinos. Experimenten as dat Double-Chooz-Experiment oder de KamLAND-Detektor in’t Kamioka Neutrino Observatory sünd in de Laag, över den inversen Betaverfall Geoneutrinos un Reakterneutrinos natowiesen. Se levert dormit tosätzliche Informatschonen ut en Rebeet, de vun de solaren Neutrinos nich afdeckt warrt.

De opstunns gröttste Neutrino-Detekter, MINOS mit Naam, steiht ünne de Eer in en Iesenmien in de USA, ruchweg 750 km wiet weg vun’t Forschungszentrum Fermilab. Vun dit Forschungszentrum warrt en Neutrinostrahl in Richt vun’n Detekter afstrahlt, woneem denn tellt warnn schall, wo veel vun de Neutrinos sik op’n Weg dör de Eer ümwannelt hebbt.

Anwennen

Forschers vun de Sandia National Laboratories hebbt vör, Antineutrinos to nütten, üm de Produkschoon vun Plutonium in Karnreakters to meten. Denn weer de IAEO nich mehr op Afschätzen anwiest un nümms künn denn noch wat för’n Bo vun Nuklearwapen aftwiegen. De Produkschoon vun Antineutrinos in Karnreakters is so bannig groot, dat al en Detekter mit blots 1 m³ Detekterfletigkeit vör dat Kraftwark utrecken de.

Historie vun’t Utforschen

De radioaktive Betaverfall weer bit 1930 nich verstahn. Beobacht weer bi den Verfall jümmer blots en Elektron, dat afstrahlt weer. Tosamen mit den Karn, de över blifft harr sik dat also üm en Tweekörperproblem hannelt, womit sik aver dat kontinueerliche Energie-Spektrum vun’n Beta-Verfall aver nich verkloren lett, ahn dat een dat Satz vun’t Energiewohren breken de. Dat hett Wolfgang Pauli dorto bröcht, en Elementardeelken to postuleeren, dat blangen dat Elektron un den Karn ok an den Vörgang deelhett, man blots noch nich beobacht weer. Dit Deelken müss en Deel vun de Energie drägen, de bi’n Verfall free warrt un dormit seker stellen, dat de Impuls un de Energie wohrt blifft. Pauli nöömt sien an’n 4. Dezember 1930 postuleert Deelken in en privaten Breef toeert Neutron. Enrico Fermi, de en Theorie över de grundsätzlichen Egenschoppen un Wesselwirken vun disse Deelken utarbeiten de, hett dat denn Neutrino (italieensch för lütt Neutron) nöömt, dat dat nich mit dat Neutron, as dat vundaag begäng is, verwesselt warrt. Eerst 1933 hett Pauli sien Hypothees vör en grötter’t Publikum togänglich maakt un stell togliek de Fraag na en mööglichen experimentellen Nawies.

Dit Bild gellt as eersten Nawies vun’t Elektron-Neutrino in en Blasenkamer. Ein Antineutrino stött mit en Proton tohopen un tüügt en Neutron un en Positron. De Reakschoon passeert rechts in’t Bild, woneem dree Sporen tosammenloopt.

As Pauli al annahmen hett, müss dat Neutrino bannig swoor natowiesen wesen.De eerste Nawies keem wohrhaftig eerst dreeuntwintig Johren later. 1956 hett de Grupp üm Clyde L. Cowan un Frederick Reines den Nawies över den inversen Betaverfall an een vun de eersten groten Karnreakters henkregen. In disse Reakters entstaht dör den Verfall vun de Spleetprodukten Antineutrinos mit en veel grötere Stroomdicht, as dat mit en radioaktive Proov mööglich weer.

${\bar {\nu }}_{e}+p\rightarrow e^{+}+n$

En Antineutrino dröpt op’n Proton un tüügt en Positron un en Neutron.

För jemehr Opdecken weern Cowan un Reines 1995 mit den Nobelpries för Physik uttekent.

Dat Myon-Neutrino is 1962 vun Jack Steinberger, Melvin Schwartz un Leon Max Lederman mit den eersten an’n Gaumaker tüügten Neutrinostrahl nawiest worrn. Se hebbt dorför 1988 den Physik-Nobelpries kregen. Mit dat Myon-Neutrino is en tweete Neutrinogeneratschoon bekannt worrn, de Analogon to’t Elektron-Neutrino för de Myonen dorstellen de. För en korte Tiet is för dit Deelken de Beteken Neutretto bruukt worrn (-etto is in’t Italeensche ok en Form för wat Lütt’s). De Begreep hett sik aver nich dörsett. As 1975 dat Tauon opdeckt worrn is, reken de Wetenschopplers dormit, dat dat ok dorto en Neutrino, neemlich dat Tau-Neutrino, geven müss. En eerst anteken dorför weer dat kontinueerliche Spektrum bi’n Tauon-Verfall, jüst so as bi’n Betaverfall. Direkt nawiest weer dat Tau-Neutrino to’n eersten mol in’t Johr 2000 mit dat DONUT-Experiment.

Vun 1993 bit 1998 lööp dat LSND-Experiment, dat as Henwies op dat Vörkamen vun sterile Neutrinos düüdt worrn is, aver man ok düchtig ümstreden weer. As KARMEN de Resultaten nich namaken künn, gellt disse Interpretatschoon siet 2007 dör eerste Resultaten vun MiniBooNE (miniature booster neutrino experiment an’t Fermi National Accelerator Laboratory) as apen.

Literatur

• Kai Zuber: Neutrino Physics. Institute of Physics Publishing, Bristol/Philadelphia 2004, ISBN 0-7503-0750-1
• Konrad Kleinknecht: Detektoren für Teilchenstrahlung. 4. Oplaag, Teubner Verlag, 2005, ISBN 978-3-8351-0058-9
• Norbert Schmitz: Neutrinophysik. Teubner Verlag, 1997, ISBN 978-3-519-03236-6
• Y. Suzuki, M. Nakahata, S. Moriyama (Hrsg.): The Fifth International Workshop on Neutrino Oscillations and Their Origin: Proceedings of the Fifth International Workshop. World Scientific Publishing, 2005, ISBN 978-981-256-362-0
• Jennifer A. Thomas: Neutrino oscillations - present status and future plans. World Scientific, Singapore 2008, ISBN 978-981-277-196-4
• Carlo Giunti et al.: Fundamentals of neutrino physics and astrophysics. Oxford University Press, Oxford 2007, ISBN 0-19-850871-9.

Weblenken

• Neutrino Unbound (ümfaten Archiv, all wichtige Publikatschonen)
• Astro-Deelkenphysik
• The Ultimate Neutrino Page (ümfaten Archiv)
• Verscheden Neutrino-Experimenten (Lenken, engelsch]
• DESY - The Solar Neutrino Problem (engelsch)
• Neutrinos (Tügen un Nawies) - Grundlagen vun de Deelkenphysik