Super-„charmante“ Elementarteilchen, die ein fehlendes Rätsel aufwerfen?

Neutrinos sind möglicherweise die faszinierendsten Elementarteilchen. Seit ihrer Einführung haben sie das menschliche Wissen ständig aufgefrischt. Auch heute noch gibt es viele ungelöste Rätsel um Neutrinos. Heute werden wir über eines davon sprechen.

In jedem Moment durchqueren zahlreiche Neutrinos unseren Körper. Wo befindet sich die größte Quelle dieser Neutrinos? Es ist die Sonne. Die Sonne ist ein riesiger Kernfusionsreaktor. Einfach ausgedrückt ist die Sonne eine Wasserstoffbombe, die ständig explodiert. Die Fusionsreaktionen in der Sonne verbrauchen jede Sekunde 620 Millionen Tonnen Wasserstoff und es entstehen dabei zahlreiche Neutrinos. Basierend auf dem theoretischen Modell der Sonne können wir die ungefähre Anzahl der von ihr produzierten Neutrinos grob berechnen. Seltsamerweise betrug die Anzahl der Neutrinos, die wir tatsächlich experimentell nachgewiesen haben, nur ein Drittel des theoretischen Werts. Dieser Vorfall wurde damals als „Geheimnis der fehlenden Sonnenneutrinos“ bezeichnet.

Genauer gesagt entdeckte man dies in den 1970er Jahren. Obwohl Neutrinos kaum mit Materie reagieren, gibt es etwas, das mit Neutrinos reagieren kann, nämlich Chlor-37. Neutrinos können mit Chlor-37 reagieren und Argon-37 und Elektronen erzeugen, und Argon ist ein Edelgas. Dieser Vorfall inspirierte damals einen Mann namens Davis, einen amerikanischen Physiker. Davis entschied sich für Tetrachlorethylen als Nachweismedium. Tetrachlorethylen ist der Hauptbestandteil von Reinigungsmitteln und wird im Allgemeinen von chemischen Reinigungen verwendet. Es hat einen scharfen, süßen Geruch und ist flüchtig. Hohe Konzentrationen können Vergiftungen und Krebs verursachen. Als Davis große Mengen Perchlorethylen kaufte, dachten die Leute, er würde eine Wäscherei eröffnen. Das Labor wurde in der Homestake-Goldmine in den USA errichtet, in einer Mine 1.500 Meter unter der Erde. Es wurden mehr als 600 Tonnen Tetrachlorethylenlösung gemischt. Solange Chlor in Argon umgewandelt wird, entsteht Gas und es tritt eine kleine Blase aus, die beweisen kann, dass ein Neutrino und ein Chlorelement kollidiert sind. Aus demselben Grund ist jedoch die Wahrscheinlichkeit einer Neutrinokollision zu gering. Davis blieb also mehr als 30 Jahre in der unterirdischen Mine und entdeckte in diesen 30 Jahren nur etwa 2.000 Neutrinos. Doch gerade mit den Daten dieser 2.000 Neutrinos kam man dem „Geheimnis der fehlenden Sonnenneutrinos“ auf die Spur, was nicht einfach war.

Es gibt auch einen Physiker aus Japan namens Masatoshi Koshiba, der in einer 1.000 Meter tiefen Mine in Japan Experimente durchgeführt hat. Er verwendete 50.000 Tonnen reines Wasser und mehr als 10.000 Photomultiplier-Röhren. Als Neutrinos mit Atomkernen in reinem Wasser kollidierten, wurde ein hellblaues Licht emittiert. Dieses Phänomen wird Tscherenkow-Strahlung genannt. Verwenden Sie dann einen Detektor, um dieses schwache blaue Licht zu erfassen. Wird es erkannt, bedeutet dies, dass eine Neutrinokollision stattgefunden hat. Die Wahrscheinlichkeit ist immer noch sehr gering, aber Masatoshi Koshiba hat viel Glück als Davis. Sein Experiment begann offiziell Ende 1986. Anfang 1987, am 24. Februar 1987, passierte etwas. In der Großen Magellanschen Wolke explodierte eine Supernova. Dies war die hellste Supernova-Explosion, die seit Keplers Supernova im Jahr 1604 beobachtet wurde. Die elektromagnetische Strahlung, die sie mit sich brachte, konnte sogar die gesamte Galaxie erleuchten und dauerte normalerweise mehrere Wochen oder Monate. Diese Supernova im Jahr 1987 wurde von vielen Astronomen beobachtet. Dies war das Glück von Masatoshi Koshiba. An diesem Tag entdeckte er plötzlich, dass in seinem Kamioka-Labor eine große Anzahl von Neutrinos nachgewiesen wurde. Es wurde von einer großen Zahl gesprochen, aber tatsächlich waren es nur 13, aber das waren um ein Vielfaches mehr als die gelegentlich ein oder zwei in normalen Zeiten! Es fühlte sich falsch an und tatsächlich rief drei Stunden später jemand an und sagte, dass in der Großen Magellanschen Wolke eine Supernova explodiert sei. Dieses Gefühl ist absolut unglaublich. Diese Supernova ist 168.000 Lichtjahre von uns entfernt, was bedeutet, dass Masatoshi Koshiba Neutrinos entdeckt hat, die vor mindestens 168.000 Jahren entstanden sind!

Es wurde beschlossen, den Nobelpreis für Physik 2002 an Davis und Koshiba Masatoshi zu verleihen. Im Jahr 2002 war Davis 88 Jahre alt und Koshiba Masatoshi 76 Jahre alt. Den experimentellen Daten dieser beiden Personen zufolge ist das „Geheimnis der fehlenden Sonnenneutrinos“ bestätigt, das heißt, zwei Drittel der Neutrinos der Sonne fehlen auf unerklärliche Weise. Wo sind sie hin? Die Antwort auf diese Frage wurde erst in den letzten Jahren gegeben. Man entdeckte, dass es nicht nur eine Art von Neutrino gibt, sondern drei Arten, nämlich Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tau-Neutrinos. Was Davis und Xiao Chai in ihrem Experiment entdeckten, waren lediglich Elektron-Neutrinos, die natürlich um zwei Drittel geringer waren. Darüber hinaus können sich diese drei Arten von Neutrinos im Laufe der Zeit ineinander umwandeln, ein Prozess, der als Neutrinooszillation bezeichnet wird. Wenn Neutrinos schwingen können, müssen sie eine Ruhemasse haben. Daher haben sich in den letzten Jahren viele Physiker mit diesem Thema beschäftigt. Der erste, der die Neutrino-Oszillation experimentell nachwies, war Kajita Takaaki, ein Schüler von Koshiba Masatoshi. Als Versuchsort diente das damals von Koshiba Masatoshi genutzte Kamioka-Labor. Ein weiterer Physiker ist Arthur McDonald aus Kanada. Er und Takaaki Kajita erhielten 2015 gemeinsam den Nobelpreis für Physik für die experimentelle Entdeckung von Neutrinooszillationen und den damit verbundenen Beweis, dass Neutrinos Masse besitzen. Das derzeit modernste Neutrino-Observatorium befindet sich unter dem Eis der Antarktis. Es trägt den Namen IceCube und wurde am 8. Dezember 2010 fertiggestellt. Am 12. Juli 2018 gab das IceCube-Neutrino-Observatorium die erste erfolgreiche Bestätigung der Quelle hochenergetischer kosmischer Neutrinos bekannt. Menschen haben ein Neutrino entdeckt, das aus einer Entfernung von 3,7 Milliarden Lichtjahren emittiert wurde. Dies ist auch das erste Mal in der Menschheitsgeschichte, dass Neutrinodetektoren zur Ortung von Objekten im Weltraum eingesetzt wurden.

Allerdings gibt es noch viele ungelöste Rätsel rund um Neutrinos, beispielsweise die Frage, ob es eine vierte Art von Neutrino gibt. Ist das Antiteilchen des Neutrinos das Neutrino selbst? Mit anderen Worten: Sind Neutrinos Majorana-Teilchen? Sind Neutrinos dunkle Materie? usw. Wir müssen geduldig auf die Antworten auf diese Rätsel warten.

Autor: Mama sagt, populärwissenschaftlicher Schöpfer

Gutachter: Luo Huiqian, Associate Researcher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Der Artikel wurde vom Science Popularization China-Creation Cultivation Program erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.