Mit nur einem Fünfzigtausendstel der Masse eines Elektrons kann dieser mysteriöse „unsichtbare Mann“ problemlos in unseren Körper eindringen!

Neutrinos: Der mysteriöse „unsichtbare Mann“

Neutrinos sind eine Art Elementarteilchen, die ungeladen und klein sind und nur sehr schwach mit anderer Materie interagieren. Sie sind als die „unsichtbaren Männer“ des Universums bekannt.

Von der Vorhersage der Existenz von Neutrinos bis zu ihrer Entdeckung hat die Wissenschaftsgemeinde mehr als 20 Jahre gebraucht. Gewöhnliche Menschen haben den „wahren Körper“ dieses mysteriösen Teilchens nie gesehen, aber tatsächlich umgibt es uns ständig. Es kann problemlos jedes Material durchdringen und 100 Billionen Neutrinos von der Sonne durchdringen pro Sekunde den Körper eines jeden Menschen. Natürlich blieben wir unverletzt, weil sie, nun ja, so klein waren!

Die meisten Prozesse der Teilchenphysik und Kernphysik gehen mit der Produktion von Neutrinos einher, beispielsweise bei der Stromerzeugung in Kernreaktoren (Kernspaltung), der Sonnenlumineszenz (Kernfusion), natürlicher Strahlung, Supernova-Explosionen, kosmischer Strahlung usw.

Der Nachweis von Neutrinos ist schwierig, da sie nur schwach mit anderer Materie interagieren. Aus diesem Grund wurden Neutrinos von allen Elementarteilchen erst am spätesten entdeckt und sind am wenigsten verstanden. Tatsächlich werden bei den meisten Prozessen der Teilchenphysik und Kernphysik Neutrinos erzeugt, beispielsweise bei der Stromerzeugung in Kernreaktoren (Kernspaltung), der Lumineszenz der Sonne (Kernfusion), der natürlichen Strahlung, Supernova-Explosionen, der kosmischen Strahlung usw.

Kleine Teilchen, die das Universum aufrütteln

Da Neutrinos so schwach mit anderer Materie interagieren, ist es sinnlos, sie zu untersuchen? Die Antwort ist nein! Beispielsweise hat die Forschung an Neutrinos die Neutrinoastronomie zu einem hochmodernen und beliebten Forschungsgebiet gemacht. Nehmen Sie das „geheime Kampfkunstbuch“ in die Hände der Astronomen – die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die eigentlich die Restwärme des Urknalls ist. Seine Ausbreitung im Universum begann erst 380.000 Jahre nach dem Urknall. Mit anderen Worten: Durch die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung können wir Menschen die Geschichte des Universums 380.000 Jahre nach dem Urknall kennen, aber wir haben keine Möglichkeit, die Geschichte der ersten 380.000 Jahre zu kennen. Dies kann durch die Beobachtung von Neutrinos erreicht werden.

Die Beobachtung von Neutrinos kann uns helfen, die physikalischen Phänomene der mikroskopischen Zeit besser zu verstehen und gleichzeitig die relevanten Modelle von Sternen und Schwarzen Löchern in der Astronomie zu verbessern und mehr Informationen über den Ursprung und die Entwicklung des Universums zu gewinnen.

Haben Neutrinos Masse?

Die Masse, eine physikalische Eigenschaft, der wir normalerweise nicht viel Aufmerksamkeit schenken, ist eines der schwierigsten Rätsel der Neutrinos. Haben Neutrinos Masse?

Sudbury Neutrino Observatory in Kanada (Bildnachweis: Sudbury Neutrino Observatory)

Im Jahr 2012 gab das internationale Kollaborationsteam des Daya Bay Neutrino Experiment unter der Leitung des berühmten chinesischen Physikers und Akademiemitglieds Wang Yifang die Entdeckung einer neuen Neutrinooszillation bekannt, die darauf hindeutet, dass alle bekannten Neutrinos Masse haben. Der Nobelpreis für Physik 2015 wurde dem japanischen Physiker Takaaki Kajita und dem kanadischen Physiker Arthur B. McDonald für ihre Entdeckung der Neutrinooszillationen verliehen, die eine direkte Manifestation der Masse von Neutrinos sind. Im Jahr 2020 gaben Wissenschaftler bekannt, dass die Masse von Neutrinos 1,1 Elektronenvolt nicht überschreitet, was etwa einem 150.000stel der Masse eines Elektrons entspricht.

Neutrinos gibt es in drei Geschmacksrichtungen

Wie messen wir also die Masse von Neutrinos? Das ist eine ziemlich komplizierte Frage! Warum?

Die von Takaaki Kajitas Team und dem Forschungsteam um Arthur McDonald durchgeführten Experimente entdeckten gemeinsam ein neues Phänomen der Neutrinooszillation und bewiesen damit, dass Neutrinos, von denen man lange Zeit glaubte, sie seien masselos, tatsächlich Masse haben.

Schematische Darstellung der drei Neutrinoarten

Diese drei Arten von Neutrinos (Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino) entsprechen auch drei Arten von Neutrinomassen (dem ersten, zweiten und dritten Masseneigenzustand). Allerdings besteht zwischen ihnen keine Eins-zu-eins-Entsprechung, sondern eher eine gewisse „Mischung“. Beispielsweise „mischt“ das Elektron-Neutrino irgendwie den ersten, zweiten und dritten Masseneigenzustand miteinander.

Es gibt noch viele Fragen zu Neutrinos, die die Wissenschaftler lösen müssen. Ich glaube, dass die Physik nach der Entschlüsselung dieser „Geheimnisse“ größere Fortschritte machen wird!

Verantwortlicher Redakteur/ Gao Lin

Kunstredakteur/ Wang Chen

Autor: Chen Si (Dalian Institut für Chemische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Quelle: Knowledge is Power Magazine