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?

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 abgeschlossen^w1.

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 1995^w2 verliehen. Clyde Cowan kam nicht mehr in den Genuss dieses Preises, er war 1974 verstorben.

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 verliehen^w2.

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-Langevin^w3 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.

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 Experiment^w4 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 CERN^w5 in Genf, Schweiz, wurde ein Strahl von Myon Neutrinos in Richtung des Gran Sasso National Laboratory^w6 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 Observatory^w7 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 Beobachtungen^w8.

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 2002^w2 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 Sonnenkerns^w9.

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 Frühwarnsystem^w10 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 IceCube^w11 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.

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 verwenden^w12.

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.

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 KamLAND^w13 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 Projekts^w6, ^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.

References

• Bahcall J (2004) Solving the mystery of the missing neutrinos. Nobelprize.org. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/bahcall
• Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusion in the Universe: we are all stardust. Science in School 4: 61-63.
• Hand E (2010) Hunt for the sterile neutrino heats up. Nature 464: 334-335. doi: 10.1038/464334a
  • Laden Sie hier den Artikel kostenlos herunter, oder abonnieren Sie Nature: www.nature.com/subscribe
• Landua R, Rau M (2008) The LHC: a step closer to the Big Bang. Science in School 10: 26-33.
• Reich ES (2011) The amazing disappearing antineutrino. Nature. doi: 10.1038/news.2011.202
• Székely P, Benedekfi O (2007) Fusion in the Universe: when a giant star dies… Science in School 6: 64-68.
• Westra MT (2006) Fusion im Universum: die Kraft der Sonne. Science in School 3.

Web References

• w1 – Wissenschaftler des University College of London haben die Masse des Neutrinos geschätzt: www.ucl.ac.uk/news/news-articles/1006/10062204
  • Vom KATRIN Experiment in Karlsruhe, Deutschland, erhofft man sich die bisher genauesten Messungen: www-ik.fzk.de/~katrin
• w2 – Lesen Sie hier mehr über die Experimente von Cowan und Reines: http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?00326606.pdf
  • Mehr Details über die Nobelpreise für Physik in den Jahren 1988, 1995 und 2002 finden Sie hier: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates
• w3 – Das Institut Laue-Langevin betreibt eine der stärksten Neutrinoquellen weltweit. Es ist ein Mitglied von EIROforum, dem Herausgeber von Science in School. Siehe: www.ill.eu
• w4 – Für mehr Informationen über das japanische Super-Kamiokande Experiment siehe: www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html
• w5 – Lesen Sie mehr über CERN, das weltgrößte Labor für Teilchenphysik und eines der acht Mitglieder von EIROforum, dem Herausgeber von Science in School: www.cern.ch
  • Lesen Sie die Geschichte des erfolgreichen Nachweises eines Myon-Neutrinos, das sich in ein Tau-Neutrino verwandelt hat, in der Presseaussendung von CERN: http://public.web.cern.ch/press oder benützen Sie den direkten Link: http://tinyurl.com/64cvhr5
  • Oder sehen Sie sich ein Video darüber an: www.youtube.com/watch?v=M3aB_zUZ1c8
• w6 – Das Gran Sasso Labor in den Abruzzen nahe L’Aquila, Italien, ist das weltweit größte unterirdische Labor für Experimente in Elementarteilchenphysik, Teilchen-Astrophysik und nukleare Astrophysik. Es beherbergt u.a. die OPERA und Borexino Experimente. Mehr darüber erfahren Sie auf: www.lngs.infn.it
• w7 – Mehr Infos über das kanadische Solar Neutrino Observatory Experiment auf: www.sno.phy.queensu.ca
• w8 – In Frankreich und Japan wurden Detektoren installiert, um Neutrino-Oszillationen näher zu untersuchen. Siehe: http://doublechooz.in2p3.fr und http://jnusrv01.kek.jp
• w9 – Mehr über den aktuellen Stand der Sonnenneutrinoforschung auf: http://arxiv.org/pdf/0811.2424
• w10 – Die Supernova Frühwarnsystem Website: http://snews.bnl.gov
• w11 – Mehr Infos über die laufenden Forschungsprojekt im IceCube: http://icecube.wisc.edu
  • Olivier Hainaut von der Europäischen Südsternwarte (ESO) sprach zu den Wissenschaftlern des IceCube während des 24 Stunden live webcast ‚Around the world in 80 telescopes‘ während des Internationalen Jahres der Astronomie 2009. Das ESO ist das weltweit produktivste astronomische Observatorium und ist auch Mitglied des EIROforum. Sehen Sie das online Video ab Minute 1:27: www.eso.org/public/videos/10msouthpole
  • Die ESO website findet sich auf: www.eso.org
  • Weitere Astronomie-Ressourcen auf:Starr C, Harwood R (2009) Education resources for the International Year of Astronomy. Science in School 13.
• w12 – Mehr über die Idee zur Entdeckung geheimer Kernspaltungsreaktoren mit Hilfe von Neutrinos erfahren Sie hier: http://physicsworld.com/cws/article/news/44411
• w13 – Falls Sie sich über das KamLAND Experiment in Japan informieren möchten: http://kamland.lbl.gov
• w14 – Die neuesten Nachrichten über das Borexino Experiment: http://borex.lngs.infn.it

Resources

• Gute Überblicksbroschüren über das Thema Neutrinos wurden vom Booster Neutrino Experiment und von Interactions.org produziert, frei verfügbar unter: www-boone.fnal.gov/about/nusmatter (Neutrinos Matter) und www.interactions.org/pdf/neutrino_pamphlet.pdf (Neutrino Odyssey)
• Auf der Website des IceCube Projekts findet sich hervorragendes Unterrichtsmaterial über ‚Popcorn Neutrinos‘, mit dem Schüler das Konzept des Betazerfalls untersuchen können. Siehe: www.icecube.wisc.edu oder via Direktlink auf: http://tinyurl.com/45ytuq7
• Die Folien von drei Vorträgen über Neutrinoforschung für Schüler (auf deutsch) sind hier zu finden: www.mpi-hd.mpg.de/hfm/wh/pams/PamS0708.htm
• “Particle Adventure” ist eine unterhaltsame online Tour durch die Welt der Teilchenphysik: http://particleadventure.org
• Das “Contemporary Physics Education Project” bietet Arbeitsblätter zur Teilchenphysik in Englisch und Spanisch für Schüler und Lehrer. Eines davon handelt von den Erhaltungssätzen, die Wolfgang Pauli dazu gebracht hatten, das Neutrino zu postulieren (Activity 5). Siehe : www.cpepweb.org/Class_act.html
• Das UK Science and Technology Council hat eine Liste von Ressourcen für den Unterricht in Elementarteilchenphysik zusammengestellt: www.stfc.ac.uk/Public and Schools/2563.aspx

Institutions

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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