Neutrinos: eine Einführung Understand article

Übersetzt von Alois Regl. Was verbindet die Kontinentaldrift, Kernkraftwerke und Supernovae? Neutrinos, wie uns Susana Cebrián erklärt.

Was sind Neutrinos?

Mit freundlicher Genehmigung
von Mark Tiele Westra

Das Wort “Neutrinos” bedeutet “kleine Neutronen”. Sie sind überall, rund um uns. Diese winzigen ungeladenen Elementarteilchen rasen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Weltraum. Ursprünglich glaubte man, sie hätten auch keine Masse, aber Wissenschaftler gehen heutzutage davon aus, dass sie sehr wohl etwas Masse besitzen. Sie wird auf weniger als ein Milliardstel der Masse eines Wasserstoffatoms geschätzt, aber die Forschung ist hier noch nicht abgeschlossenw1.

Neutrinos gehören zu den am zahlreichsten vorhandenen Teilchen des Universums. Der österreichische Physiker Wolfgang Pauli hat sie 1930 postuliert, um gewisse Eigenschaften des radioaktiven Beta-Zerfalls erklären zu können. Erst als die ersten Kernkraftwerke gebaut wurden, stand ein genügend hoher Fluss an Neutrinos (eigentlich Antineutrinos; siehe Landua & Rau, 2008, für mehr Informationen über Antiteilchen) aus den zerfallenden Atom-Bruchstücken zur Verfügung, um deren Existenz experimentell zu bestätigen. 1956 bauten Clyde Cowand und Frederick Reines nur wenige Meter vom Kernkraftwerk in Savannah River nahe Aiken, Süd-Carolina, USA, zwei große wassergefüllte Untergrund-Tanks. In diesen Tanks kam es zu Wechselwirkungen zwischen den Antineutrinos und den Protonen der Wassermoleküle (siehe Diagramm unten). Frederick Reines wurde für dieses Experiment der Nobelpreis für Physik im Jahr 1995w2 verliehen. Clyde Cowan kam nicht mehr in den Genuss dieses Preises, er war 1974 verstorben.

Das Experiment von Reines und Cowan: Elektronen-Antineutrinos (νe) treten mit dem Proton des Wassermoleküls (p+)in einem großen Tank, der mit Wasser und Cadmiumchlorid (CdCl2) gefüllt ist, in Wechselwirkung; es werden Positronen (e+, die Anti-Teilchen des Elektrons) und Neutronen (n0) produziert. Die Positronen zerstrahlen, wenn sie auf die Elektronen des Mediums (e) treffen und die Neutronen werden durch die Kerne der Cadmium-Atome (Cd) absorbiert. Beide Reaktionen setzen Gammastrahl-Photonen (γ) frei, die mit Hilfe von Szintillatoren nachgewiesen werden. Diese transformieren das Signal in Blitze von sichtbarem Licht, die mit Sekundärelektronenvervielfachern detektiert und verarbeitet werden können. Zum Vergrößern auf das Bild klicken
Mit freundlicher Genehmigung von Susana Cebrián

Neutrinos kommen laut dem Standardmodell der Teilchenphysik in drei verschiedenen Typen vor („flavors“, siehe Bild unten): das Elektronen-Neutrino, das Myon-Neutrino und das Tau-Neutrino. Alle drei wurden bereits experimentell nachgewiesen. Für den Nachweis des Myon-Neutrinos wurde 1988 der Nobelpreis für Physik an Leon M Lederman, Melvin Schwartz und Jack Steinberger verliehenw2.

Ein vierter, ‘steriler’ Typ wurde vorgeschlagen, der immun gegenüber der schwachen Wechselwirkung sein sollte. Neuere Daten, zusammen mit einer verbesserten Auswertung von Daten des Instituts Laue-Langevinw3 in Grenoble, Frankreich, aus den 1980er Jahren, unterstützen diesen Ansatz (Hand, 2010; Reich, 2011). Wenn sterile Neutrinos tatsächlich gefunden werden, würde sich ein weiter Bereich von Physik jenseits des Standard Modells auftun.

Das Standardmodell der Teilchenphysik.
Materieteilchen lassen sich in Leptonen und Quarks unterteilen. Sie bilden 12 verschiedene Teilchen, die man in drei Familien einteilen kann. Jede Familie besteht aus zwei Leptonen (eines davon ein Neutrino) und zwei Quarks. Materieteilchen können miteinander auf verschiedene Weisen „kommunizieren“, indem sie verschiedene Arten von Botenteilchen austauschen, die Bosonen genannt werden. Für jede der fundamentalen Wechselwirkungen gibt es ein eigenes Boson. Diese Teilchen kann man sich als kleine Pakete an Energie mit bestimmten Eigenschaften vorstellen. Die Massen mancher Partikel werden noch von den Wissenschaftlern erforscht, die hier gezeigten Werte stammen aus dem Jahr 2008

Mit freundlicher Genehmigung von PBS NOVA; Bildquelle: Wikimedia Commons
Blick von oben auf den fast
zur Gänze gefüllten Tank des
Super-Kamiokande
Experiments. Zum
Vergrößern auf das Bild
klicken

Mit freundlicher Genehmigung
von Kamioka Observatory, ICRR
(Institute for Cosmic Ray
Research), The University of
Tokyo

Auch die drei nachgewiesenen Neutrino-Typen haben eine ganz spezielle Eigenschaft: sie “oszillieren” von einem Typ zum anderen – Elektron, Myon und Tau Neutrinos verwandeln sich ineinander. Dieses Phänomen wurde zum ersten Mal 1998 im japanischen Super-Kamiokande Experimentw4 nachgewiesen. In diesem Experiment wurde beobachtet, dass Myon Neutrinos, die in der Atmosphäre produziert wurden, ‚verschwinden‘, sich vermutlich in Tau Neutrinos umwandeln. Ein jüngeres Experiment hat jetzt ein solches Ereignis aus der anderen Perspektive beobachtet – als ein neu erscheinendes Tau Neutrino an Stelle eines verschwindenden Myon Neutrinos: Bei CERNw5 in Genf, Schweiz, wurde ein Strahl von Myon Neutrinos in Richtung des Gran Sasso National Laboratoryw6 in Italien, 730 km entfernt, gelenkt. Nach drei Jahren Betrieb wurde 2010 vom dortigen OPERA Detektor ein Tau Neutrino nachgewiesen (siehe Bild unten).

Die Entdeckung der Oszillationen löste auch ein 40 Jahre altes Rätsel: Wissenschaftler hatten immer um einiges weniger an Elektron Neutrinos gefunden, die von der Sonne emittiert werden, als zu erwarten gewesen wäre. 2001 wies das Solar Neutrino Observatoryw7 in Kanada nach, dass sie sich auf ihrem Weg zur Erde in Neutrinos der anderen Typen verwandelten (Bahcall, 2004). Weitere Experimente zum Studium der Neutrino Oszillationen sind im Gange, zB in Frankreich und Japan. Dort produzieren Beschleuniger und Kernkraftwerke eine große Anzahl von Antineutrinos für die Beobachtungenw8.

Auf ihrem Weg vom CERN in Genf, Schweiz, zum Gran Sasso, Italien, werden einige der Myon Neutrinos im Strahl zu Tau Neutrinos und werden vom OPERA Detektor nachgewiesen. Zum Vergrößern auf das Bild klicken
Mit freundlicher Genehmigung von CERN

Woher kommen die Neutrinos?

Neutrinos entstanden zunächst etwa vor 14 Milliarden (14 x 109) Jahren, 10-43 Sekunden nach dem Big Bang. Nur eine Sekunde später entfernten sie sich schnell vom Rest der heißen und dichten primordialen Partikelsuppe; Wissenschaftler versuchen derzeit, Neutrinos nachzuweisen, die damals entstanden und bis heute überlebt haben.

Die sehr schwache Interaktion mit Materie macht es fast unmöglich, sie zu detektieren, aber gerade das macht sie auch interessant für die Wissenschaftler. Im Gegensatz zu anderen Teilchen können Neutrinos auch aus sehr dichten Regionen wie zum Beispiel dem Zentrum der Sonne oder der Milchstraße entkommen. Sie können lange Distanzen von weit entfernten Galaxien zurücklegen, ohne dass sie absorbiert werden, und tragen daher Informationen über diese Gebiete mit sich. In diesem Sinn sind Neutrinos kosmische Boten, und Neutrino-Astronomie wird zunehmend interessanter.

Bislang konnten nur zwei Quellen extraterrestrischer Neutrinos beobachtet werden: die Sonne und Supernovas. Raymond Davis jun. und Masatoshi Koshiba wurde 2002w2 für ihren Nachweis der solaren und der Supernova-Neutrinos der dritte Neutrino Nobelpreis verliehen. Wie andere Sterne auch, emittiert die Sonne Elektron Neutrinos bei mehreren Schritten des Verschmelzungsprozesses, bei dem leichte Atomkerne zu schwereren werden (siehe Bild unten, und für mehr Informationen siehe Westra, 2006, und Boffin & Pierce-Price, 2007); mehr als 1010 Neutrinos solaren Ursprungs treffen pro Sekunde auf eine Fläche von einem Quadratzentimeter auf der Erde auf. Im Gegensatz zu Photonen, die vom Kern der Sonne bis zur äußeren Photosphäre rund 100.000 Jahre benötigen, bevor sie mit Lichtgeschwindigkeit zur Erde fliegen, brauchen Neutrinos, die aus demselben Fusionsprozess stammen, bloße 8 Minuten für die gesamte Reise. Das ist der Grund dafür, dass die Neutrinos hilfreiche Boten sind, die Information über die gerade ablaufenden Fusionsprozesse im Inneren der Sonne transportieren, oder auch über die chemische Zusammensetzung des Sonnenkernsw9.

Kernfusion in der Sonne: zwei Wasserstoffkerne fusionieren zu einem Deuteriumkern, einem Positron und einem Neutrino. Das Positron trifft gleich danach auf ein Elektron, sie zerstrahlen und es bleibt nur Energie übrig. Der Deuteriumkern fusioniert mit einem weiteren Wasserstoffkern zu Helium-3. Im letzten Schritt fusionieren zwei Helium-3 Kerne zu Helium-4 und zwei Wasserstoffkernen. Zum Vergrößern auf das Bild klicken
Mit freundlicher Genehmigung von Mark Tiele Westra
Eine künstlerische
Darstellung des Materials
rund um SN1987A: zwei
äussere Ringe, ein innerer
Ring und das deformierte,
ganz innen liegende
ausgestoßene Material

Mit freundlicher Genehmigung
von ESO / L Calçada

Supernova Neutrinos sind das Ergebnis des gewaltsamen Endes mancher Sterne. Diese explodieren und produzieren sogar mehr Neutrinos als Photonen (siehe Székely & Benedekfi, 2007): 1987 haben mehrere Detektoren ein eingewöhnlich starkes Signal empfangen (mehrere Ereignisse innerhalb weniger Sekunden, im Gegensatz zur üblichen Frequenz von einem pro Tag). Dieses Signal wurde Neutrinos von der Supernova SN1987A in der Großen Magellanschen Wolke zugeschrieben. Um Astronomen Vorbereitungszeit zur Beobachtung solcher Ereignisse zu geben, wurden mehrere Neutrino Detektoren zu einem Supernova Frühwarnsystemw10 zusammengeschlossen. Neutrinos werden nämlich während solcher Sternexplosionen vor den Photonen freigesetzt, die Astronomen beobachten möchten.

Astronomen sind jedoch nicht die einzigen Wissenschaftler, die sich für Neutrino-Detektoren interessieren. Auf der Erde gibt es sowohl natürliche als auch künstliche Neutrino-Quellen: radioaktive Materialien im Erdinneren unterliegen dem Beta-Zerfall und produzieren dabei „Geo-Neutrinos“. Zusätzlich produzieren Atomkraftwerke Neutrinos, und spezielle Beschleuniger werden als Neutrino-Quellen für die Forschung benutzt. Diese sind natürlich interessant für Teilchenphysiker, um die Neutrinos weiter zu charakterisieren, aber auch für Geowissenschaftler und vielleicht sogar für Politiker (siehe ‘Neutrinos als Nuklearpolizei’ und ‘Kraftwerk für die Erde’).

Und zu guter Letzt werden atmosphärische Neutrinos als Zerfallsprodukte von Pionen und Myonen ausgesendet, wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre auftrifft. Diese ergiebigste Quelle natürlich vorkommender Neutrinos auf der Erde ist ein Ärgernis für die Neutrino-Astronomen (siehe „Wie man Neutrinos nachweist“, unten), die eigentlich an Neutrinos aus dem Weltraum interessiert sind. Aber diese Quelle gibt den Neutrino-Physikern eine zusätzliche Möglichkeit, um ihr „Objekt der Begierde“ zu studieren.

Wie man Neutrinos nachweist

Neutrinos sind sehr brauchbar für das Studium astronomischer und kosmologischer Phänomene. Neutrino-Detektoren werden weltweit gebaut, tief unter der Erde, um das ‚Rauschen‘ durch andere Teilchen herauszufiltern. Der kürzlich fertig gestellte IceCubew11 ist bislang der größte Detektor: ein Kubikkilometer Eis am Südpol. IceCube fungiert als ein Teleskop, um nach Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen zu suchen (siehe Bilder unten). Wenn ein Neutrino ein Proton des antarktischen Eises trifft, wird ein Myon freigesetzt. Wie jedes geladene Teilchen, das schneller als die Geschwindigkeit des Lichts in einem bestimmten Medium ist (jedoch kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum), erzeugt das Myon einen Kondensstreifen blauen Lichts. Dabei handelt es sich um Cherenkov Strahlung, das Licht-Äquivalent des Überschallknalls, die auch in manchen Kernreaktoren zu sehen ist.

 

Das IceCube Neutrinoteleskop befindet sich am Südpol (oben links: die Südpolstation links von der Landebahn, IceCube ist rechts davon). Es besteht aus Tausenden von autonomen digitalen optischen Modulen (oben rechts), die die Ankunftszeit jedes Neutrinos registrieren. Sie werden in tiefe Löcher im Eis versenkt, die mit heißem Wasser gebohrt werden (unten links; klicken Sie für ein größeres Bild). Sobald ein Neutrino auf ein Proton des antarktischen Eises trifft, wird ein Kegel aus blauer Cherenkov Strahlung erzeugt (unten rechts; Zum Vergrößern auf das Bild klicken), und die Bahn des Lichts wird aus den Ankunftszeiten rekonstruiert
Mit freundlicher Genehmigung von NSF

Tausende optische Sensoren, angeordnet in einem dreidimensionalen Gitter 1,5 bis 2,5 km tief im Eis, detektieren dieses Licht. Zusammen können die Daten dazu benutzt werden, um die Energie des Neutrinos und die Richtung, aus der es kam, festzustellen. Um die Myonen, die von kosmischen Neutrinos stammen, von den millionenfach häufigeren Myonen zu unterscheiden, die von kosmischen Strahlen in der Atmosphäre über dem Detektor erzeugt wurden, benutzt IceCube die Erde als ein Filter. Es schaut nur nach den Myonen, die von unten her produziert wurden. Neutrinos sind die einzigen Teilchen, die die Erde ungehindert durchdringen können, daher muss jedes Myon, das aus dieser Richtung kommt, im Detektor von einem kosmischen Neutrino stammen.

Andere Detektoren verwenden verschiedene Materialien und Strategien – aber alle bringen so viel Material wie möglich in den Strahlengang der Neutrinos, um sie so zur Interaktion zu bringen und sich damit zu erkennen zu geben.

Neutrinos als Nuklearpolizei

Der Nachweis von Nuklearwaffen und nuklearem Material ist aus vielerlei Gründen wichtig, nicht zuletzt wegen der Vorbeugung von Terrorismus und der Verbreitung nuklearen Materials. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, kubikmetergroße Antineutrino Detektoren für die Überwachung und den Schutz von Kernreaktoren zu verwendenw12.

Derzeit werden Reaktoren indirekt überwacht (zum Beispiel durch Verwendung von Satelliten, Gas- und Staubemissionen, und seismische und Infrarotsignaturen für Nuklearwaffentests), was aber irreführend sein kann. Neutrino-Detektoren könnten in Echtzeit Informationen über den Zustand des Reaktorkerns und eventuell sogar über seine isotopische Zusammensetzung liefern. Ein Zusammenschluss von rund 500 solcher weltweit aufgestellter Detektoren könnte in der Lage sein, die Leistung der einzelnen Reaktoren zu errechnen und damit geheime Nuklearwaffentests aufzuspüren.

Der Detektor Tank des
Super-Kamiokande ist mit
Wasser gefüllt. Zum
Vergrößern auf das Bild
klicken

Mit freundlicher Genehmigung
von Kamioka Observatory, ICRR
(Institute for Cosmic Ray
Research), The University of
Tokyo

Kraftwerk für die Erde

Neutrinos werden auch in der Geophysik beobachtet. Der natürliche radioaktive Zerfall von Uran, Thorium und Kalium im Erdmantel hält den Fluss geschmolzenen Materials in konvektiven Strömungen aufrecht. Diese wiederum sind die treibende Kraft für die Kontinentaldrift, das Auseinandertreiben von Meeresgrund, Vulkaneruptionen und Erdbeben.

Es gibt mehrere Modelle für diesen Zerfall, abhängig von der Zusammensetzung der Erdkruste. Geo-Neutrinos, die von diesem Zerfall produziert werden, können die Frage nach der Zusammensetzung der Erdkruste beantworten helfen. Geo-Neutrinos wurden 2005 zum ersten Mal im KamLANDw13 Experiment in Japan beobachtet. Allerdings wurden die Studien durch die Vielzahl an Kernkraftwerken beeinträchtigt, da deren Antineutrinos ähnliche Energiesignaturen wie jene der Geo-Neutrinos aufweisen. 2009 war ein internationales Team des Borexino Projektsw6, w14 erfolgreicher, da dort weniger Kernkraftwerke in der Umgebung vorhanden waren. Es sollte daher in Zukunft gelingen, eine statistisch signifikante Anzahl von Geo-Neutrinos zu sammeln, um die Mengenverhältnisse von Uran, Thorium und Kalium bestimmen zu können.

Während der Zeit, die Sie für das Lesen dieses Artikels gebraucht haben, sind rund 10 000 000 000 000 000 Neutrinos durch Ihren Körper gegangen, und Sie haben davon nichts bemerkt. Sie sind winzig klein, aber sie haben das Potenzial, eine Reihe wissenschaftlicher Theorien zu bestätigen oder zu widerlegen.

Danksagung

Die Herausgeber möchten ihren Dank an Dr. Christian Buck für Ratschläge zu diesem Artikel ausdrücken. Er ist Neutrino-Physiker vom Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Deutschland.

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References

Web References

Resources

Institution

CERN, ILL

Author(s)

Susana Cebrián ist Professorin an der Universität Zaragoza, Spanien. Sie arbeitet an mehreren Experimenten im Bereich der Physik von Astropartikeln am spanischen Canfranc Underground Laboratory.


Review

Neutrinos sind seltsame Teilchen – klein, aber faszinierend. Dieser Artikel beschreibt ihre Herkunft, ihre Eigenschaften und ihren Nachweis auf verständliche Art und mit handfesten Fakten hinterlegt. Er stellt einen guten Hintergrundartikel für Physiklehrer dar, kann aber auch ein Ausgangspunkt für Schüler sein, um eine Präsentation über diese Materie vorzubereiten oder um weitere Diskussionen auszulösen, zB über Teilchenphysik im allgemeinen, über das Standard Modell, Detektorphysik, CERN, Astrophysik oder Strahlung.

Der Artikel ist hauptsächlich nützlich für den Physikunterricht, enthält aber auch Verbindungen zur Geowissenschaft. Um das Thema auch für jüngere Schüler (im Alter von etwa 14 Jahren) zugänglich zu machen, schlage ich vor, dass Lehrer nur Teile des Artikels zur Diskussion stellen.


Gerd Vogt, Österreich




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