Von allen bekannten Teilchen im Universum gibt es nur mehr Photonen als Neutrinos. Trotz ihres Überflusses sind Neutrinos schwer zu fangen und zu untersuchen, da sie nur sehr schwach mit Materie interagieren. Ungefähr 1.000 Billionen der gespenstischen Partikel wandern pro Sekunde durch Ihren Körper - mit nur einem Zucken eines einzelnen Atoms.
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"Die Tatsache, dass sie allgegenwärtig sind und wir nicht einmal wissen, was sie wiegen, ist verrückt", sagte Deborah Harris, Physikerin am Fermi National Accelerator Laboratory in der Nähe von Chicago und der York University in Toronto.
Physiker haben lange versucht, den Geist zu wiegen. Und im September, nach 18 Jahren des Planens, Bauens und Kalibrierens, gab das Karlsruher Tritium Neutrino (KATRIN) -Experiment im Südwesten Deutschlands seine ersten Ergebnisse bekannt: Es stellte fest, dass das Neutrino nicht mehr als 1, 1 Elektronenvolt (eV) wiegen kann ungefähr ein Fünfhunderttausendstel der Masse des Elektrons.
Diese anfängliche Schätzung, die sich aus Daten von nur einem Monat ergibt, verbessert frühere Messungen unter Verwendung ähnlicher Techniken, bei denen die Obergrenze der Neutrinomasse bei 2 eV lag. KATRIN zielt darauf ab, die tatsächliche Masse zu bestimmen, anstatt eine Obergrenze festzulegen.
Warum Massenangelegenheiten
Masse ist eine der grundlegendsten und wichtigsten Eigenschaften von Grundpartikeln. Das Neutrino ist das einzige bekannte Teilchen, dessen Masse ein Rätsel bleibt. Das Messen seiner Masse würde helfen, auf neue Gesetze der Physik jenseits des Standardmodells hinzuweisen, der bemerkenswert erfolgreichen und dennoch unvollständigen Beschreibung der Wechselwirkung der bekannten Teilchen und Kräfte des Universums. Seine gemessene Masse würde auch als Kontrolle der Theorien der Kosmologen über die Entwicklung des Universums dienen.
"Je nachdem, wie groß die Masse des Neutrinos ist, kann dies zu sehr aufregenden Zeiten in der Kosmologie führen", sagte Diana Parno, Physikerin an der Carnegie Mellon University und Mitglied des KATRIN-Teams.
Bis vor ungefähr zwei Jahrzehnten galten Neutrinos - die 1930 theoretisch vorhergesagt und 1956 entdeckt wurden - als masselos. "Als ich in der Grundschule war, hieß es in meinen Lehrbüchern, dass Neutrinos keine Masse hatten", sagte Harris.
Dies änderte sich, als die Physiker in einer Entdeckung, die den Nobelpreis 2015 gewinnen sollte, feststellten, dass sich Neutrinos von einer Art zur anderen verwandeln und zwischen drei „Geschmackszuständen“oszillieren können: Elektron, Myon und Tau. Diese Oszillationen können nur auftreten, wenn Neutrinos auch drei mögliche Massenzustände haben, wobei jedes Aroma unterschiedliche Wahrscheinlichkeiten dafür hat, in jedem der drei Massenzustände zu sein. Die Massenzustände bewegen sich unterschiedlich durch den Raum. Wenn ein Neutrino von Punkt A nach Punkt B wandert, hat sich diese Mischung von Wahrscheinlichkeiten geändert, und ein Detektor könnte ein anderes Aroma messen.
Wenn es drei verschiedene Massenzustände gibt, können nicht alle Null sein - Neutrinos haben also Masse. Gemäß den jüngsten Neutrinooszillationsdaten (die die Unterschiede zwischen den Massenzuständen und nicht ihre tatsächlichen Werte aufzeigen) muss der schwerste mindestens 0, 0495 eV betragen, wenn der leichteste Massenzustand Null ist.
Trotzdem ist das so leicht im Vergleich zu der Masse anderer Teilchen, dass Physiker sich nicht sicher sind, wie Neutrinos zu so kleinen Massen kommen. Andere Teilchen im Standardmodell nehmen Masse an, indem sie mit dem Higgs-Feld interagieren, einem Energiefeld, das den gesamten Raum ausfüllt und sich auf massiven Teilchen hin- und herbewegt. Aber für Neutrinos: "Die Masse ist so klein, dass Sie eine zusätzliche Theorie brauchen, um das zu erklären", sagte Parno.
Wenn Sie herausfinden, wie Neutrinos Masse anhäufen, können andere, anscheinend verwandte Rätsel gelöst werden, beispielsweise, warum im Universum mehr Materie als Antimaterie vorhanden ist. Konkurrierende Theorien zum Mechanismus der Massenerzeugung sagen unterschiedliche Werte für die drei Massenzustände voraus. Während Neutrinoschwingungsexperimente die Unterschiede zwischen den Massenzuständen gemessen haben, liegen Experimente wie KATRIN im Durchschnitt der drei. Die Kombination der beiden Arten von Messungen kann den Wert jedes Massenzustands aufdecken und bestimmte Theorien der Neutrinomasse anderen vorziehen.
Kosmische Fragen
Neutrinomasse ist auch von kosmischer Bedeutung. Trotz ihrer winzigen Masse wurden während des Urknalls so viele Neutrinos geboren, dass ihre kollektive Schwerkraft die Zusammenballung der Materie im Universum zu Sternen und Galaxien beeinflusste. Ungefähr eine Sekunde nach dem Urknall flogen Neutrinos mit fast geringer Geschwindigkeit umher - so schnell, dass sie der Anziehungskraft anderer Materie entkamen. Aber dann begannen sie langsamer zu werden, was es ihnen ermöglichte, korralen Atomen, Sternen und Galaxien zu helfen. Der Punkt, an dem Neutrinos langsamer zu werden begannen, hängt von ihrer Masse ab. Schwerere Neutrinos wären schneller abgebremst worden und hätten dazu beigetragen, das Universum klumpiger zu machen.
Durch die Messung der kosmischen Klumpen können Kosmologen auf die Masse des Neutrinos schließen. Diese indirekte Methode basiert jedoch auf der Annahme, dass Modelle des Kosmos korrekt sind. Wenn sie also eine andere Antwort liefert als direkte Messungen der Neutrinomasse, könnte dies darauf hindeuten, dass kosmologische Theorien falsch sind.
Bisher war der indirekte kosmologische Ansatz durch Experimente wie KATRIN empfindlicher als direkte Massenmessungen. Jüngste kosmologische Daten des Planck-Satelliten legen nahe, dass die Summe der drei Neutrinomassenzustände nicht größer als 0, 12 eV sein kann, und im August ergab eine weitere Analyse der kosmologischen Beobachtungen, dass die leichteste Masse weniger als 0, 086 eV betragen muss. Diese Werte liegen alle deutlich unter der Obergrenze von KATRIN, sodass zwischen den beiden Ansätzen noch kein Widerspruch besteht. Da KATRIN jedoch mehr Daten sammelt, können Abweichungen auftreten.
Was kommt als nächstes
Das lang erwartete KATRIN-Experiment wiegt Neutrinos mit Tritium, einem schweren Wasserstoffisotop. Wenn Tritium Beta-Zerfall erfährt, emittiert sein Kern ein Elektron und ein Neutrino mit Elektronengeschmack. Durch Messung der Energie der energiereichsten Elektronen können Physiker die Energie - und damit die Masse (oder den gewichteten Durchschnitt der drei beitragenden Massen) des Elektronenneutrinos ableiten.
Wenn KATRIN eine Masse von etwa 0, 2 oder 0, 3 eV findet, können Kosmologen ihre Beobachtungen nur schwer miteinander in Einklang bringen, sagte Marilena Loverde, Kosmologin an der Stony Brook University. Eine mögliche Erklärung wäre ein neues Phänomen, bei dem der kosmologische Einfluss der Neutrinomasse mit der Zeit abnimmt. Zum Beispiel zerfällt das Neutrino möglicherweise in noch leichtere unbekannte Teilchen, die aufgrund ihrer Lichtgeschwindigkeit nicht in der Lage sind, Materie zusammenzuklumpen. Oder vielleicht hat sich der Mechanismus, der den Neutrinos Masse verleiht, im Laufe der kosmischen Geschichte geändert.
