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Dieser Artikel behandelt das Elementarteilchen Fur weitere Bedeutungen von Neutrino siehe Neutrino Begriffsklarung Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr geringer Masse Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik existieren drei Arten Generationen von Neutrinos Elektron Myon und Tau Neutrinos Jede Neutrino Generation besteht aus dem Neutrino selbst und seinem Anti Neutrino Der Name Neutrino wurde von Enrico Fermi fur das von Wolfgang Pauli postulierte Teilchen vorgeschlagen und bedeutet entsprechend der italienischen Verkleinerungsform ino kleines neutrales Teilchen Neutrino n e n m n t displaystyle nu e nu mu nu tau KlassifikationElementarteilchenFermionLeptonEigenschaftenelektrische Ladung neutralMasse lt 1 5 10 36 kgRuheenergie lt 0 8 eVSpin Wechselwirkungen schwachGravitationBei Wechselwirkung der Neutrinos mit Materie finden anders als bei vielen anderen bekannten Elementarteilchen nur Prozesse der schwachen Wechselwirkung statt Reaktionen erfolgen im Vergleich zur elektromagnetischen und starken Wechselwirkung also sehr selten Deshalb geht ein Strahl von Neutrinos auch durch grosse Materiedicken z B durch die ganze Erde hindurch wenn auch mit einer gewissen Schwachung 1 Entsprechend aufwendig ist der Nachweis von Neutrinos in Experimenten Alle Elementarteilchen des Standardmodells Grun sind die Leptonen die untere Reihe davon sind die NeutrinosNach dem Entstehungsort der in Neutrinodetektoren beobachteten Neutrinos werden folgende Typen unterschieden Kosmische Neutrinos Weltall Solare Neutrinos Sonne Atmospharische Neutrinos Erdatmosphare Geoneutrinos Erdinneres Reaktorneutrinos Kernreaktoren Neutrinos aus BeschleunigerexperimentenInhaltsverzeichnis 1 Forschungsgeschichte 2 Eigenschaften 2 1 Drei Generationen von Neutrinos und Antineutrinos 2 2 Neutrinomasse 2 3 Geschwindigkeit 2 4 Durchdringungsfahigkeit 3 Zerfalle und Reaktionen 3 1 Zerfalle 3 2 Reaktionen 4 Neutrinoforschung 4 1 Astrophysik 4 2 Neutrinodetektoren 5 Anwendung 6 Literatur 7 Weblinks 7 1 Videos 8 EinzelnachweiseForschungsgeschichte Bearbeiten nbsp Die erste Aufnahme eines Neutrinos in einer Blasenkammer gefullt mit flussigem Wasserstoff am Argonne National Labora tory von 1970 Ein Neutrino kollidiert mit einem Proton Die Reaktion erfolgte rechts im Bild dort wo drei Spuren zusammenlaufen Der Neutrinostrahl wurde aus zerfallenden positiv geladenen Pionen gewonnen die durch Beschuss eines Berylliumtargets mit dem Protonenstrahl erzeugt wurden 2 nbsp Oberes Bild gespiegelt und aufgehellt mit eingezeichneten Spu ren der Reaktion n m p p m p displaystyle nu mu p rightarrow pi mu p nbsp Ein Myon Neutrino n m displaystyle nu mu nbsp unsichtbar von unten links kommend kollidiert mit einem Proton p displaystyle p nbsp des flussigen Wasserstoffs Als Ergebnis der Reaktion entsteht ein positiv geladenes Pion p displaystyle pi nbsp und ein negativ geladenes Myon m displaystyle mu nbsp Die detaillierte Reaktion des Neutrinos mit den Quarks des Protons vermittelt uber ein W Boson Schwache Wechselwirkung ist schematisch rechts unterhalb der Spuren eingezeichnet Beim radioaktiven Beta Minus Zerfall wurde zunachst nur ein ausgesandtes Elektron beobachtet Zusammen mit dem verbleibenden Kern schien es sich somit um ein Zweikorperproblem zu handeln siehe auch Kinematik Teilchenprozesse Damit liess sich das kontinuierliche Energiespektrum der Beta Elektronen nur erklaren wenn man eine Verletzung des Energieerhaltungssatzes annahm Das fuhrte Wolfgang Pauli dazu ein neues Elementarteilchen anzunehmen das von den Detektoren unbeobachtet gleichzeitig mit dem Elektron aus dem Kern ausgesandt wird Dieses Teilchen tragt einen Teil der beim Zerfall frei werdenden Energie davon Auf diese Weise konnen die Elektronen der Betastrahlung unterschiedlich viel kinetische Energie erhalten ohne dass die Energieerhaltung verletzt ist Pauli schlug in einem Brief vom 4 Dezember 1930 dieses hypothetische Teilchen vor das er zunachst Neutron nannte 3 Enrico Fermi der eine Theorie uber die grundlegenden Eigenschaften und Wechselwirkungen dieses Teilchens ausarbeitete benannte es um in Neutrino italienisch fur kleines Neutron Neutronchen um einen Namenskonflikt mit dem heute bekannten Neutron zu vermeiden Erst im Jahr 1933 prasentierte Pauli seine Hypothese einem breiteren Publikum und stellte die Frage nach einem moglichen experimentellen Nachweis Da das Neutrino in den ublichen Teilchendetektoren kein Signal erzeugte war klar dass es nur ausserst schwer nachweisbar sein werde Tatsachlich gelang die erste Beobachtung erst 23 Jahre spater 1956 an einem der ersten grossen Kernreaktoren mit dem Cowan Reines Neutrinoexperiment 4 5 6 Die Forscher sandten am 14 Juni 1956 Wolfgang Pauli ein Telegramm mit der Erfolgsmitteilung nach Zurich 7 Ein Kernreaktor emittiert durch den Betazerfall der Spaltprodukte Neutrinos genauer Elektron Antineutrinos mit viel hoherer Flussdichte als mit einem radioaktiven Praparat erreichbar ware Reines und Cowan benutzten zur Detektion der Antineutrinos die folgende Teilchenreaktion sog inverser Betazerfall n e p e n displaystyle bar nu e p rightarrow e n nbsp Ein Antineutrino trifft auf ein Proton und erzeugt ein Positron und ein Neutron Diese Reaktionsprodukte sind beide vergleichsweise leicht beobachtbar Fur diese Entdeckung erhielt Reines 1995 den Nobelpreis fur Physik Das Myon Neutrino wurde 1962 von Jack Steinberger Melvin Schwartz und Leon Max Lederman mit dem ersten an einem Beschleuniger hergestellten Neutrinostrahl entdeckt Den Neutrinostrahl erzeugten sie indem sie einen hochenergetischen Pionenstrahl so weit laufen liessen dass ein Teil der Pionen etwa 10 in Myonen und Neutrinos zerfallen war Mit Hilfe einer massiven etwa 12 m dicken Stahlabschirmung die von dem gemischten Teilchenstrahl aus Pionen Myonen und Neutrinos alle Teilchen ausser den Neutrinos aufhielt konnten sie dann einen reinen Neutrinostrahl gewinnen 8 Sie erhielten dafur den Physiknobelpreis des Jahres 1988 Mit dem Myon Neutrino wurde eine zweite Neutrinogeneration bekannt die das Analogon zum Elektron Neutrino fur Myonen darstellt Kurzzeitig war fur das Myon Neutrino die Bezeichnung Neutretto in Verwendung etto ist ebenfalls eine italienische Verkleinerungsform die jedoch keine grosse Verbreitung fand Als 1975 das Tauon entdeckt wurde erwarteten die Physiker auch eine zugehorige Neutrinogeneration das Tauon Neutrino Erste Anzeichen fur dessen Existenz gab das kontinuierliche Spektrum im Tauon Zerfall ahnlich wie beim Betazerfall Im Jahr 2000 wurde dann am DONUT Experiment das Tau Neutrino erstmals direkt nachgewiesen Das von 1993 bis 1998 laufende LSND Experiment in Los Alamos wurde als Hinweis auf die Existenz steriler Neutrinos interpretiert war jedoch umstritten Nachdem das KArlsruhe Rutherford Mittel Energie Neutrino KARMEN Experiment unter der Federfuhrung des Forschungszentrums Karlsruhe am britischen Rutherford Labor die Ergebnisse nicht reproduzieren konnte gilt diese Interpretation seit 2007 durch erste Ergebnisse von MiniBooNE Miniature Booster Neutrino Experiment am Fermi National Accelerator Laboratory als offen 9 Eine Neuauswertung von Elektronenreferenzspektren des Instituts Laue Langevin 10 im Jahr 2011 deutet ebenfalls auf die Existenz eines vierten leichten sterilen Neutrinos hin 11 Ausgelost durch die 2011er Studie suchten mehrere Experimente in sehr kurzen Entfernungen von Kernreaktoren nach sterilen Neutrinos Wahrend die meisten die Existenz von leichten sterilen Neutrinos ausschliessen konnten sind die Ergebnisse insgesamt nicht eindeutig 12 In der Neutrinoforschung des 21 Jahrhunderts wurden bisher vier Wissenschaftler mit dem Nobelpreis fur Physik 2002 und 2015 und funf Wissenschaftler Teams mit dem Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2016 ausgezeichnet Eigenschaften BearbeitenDrei Generationen von Neutrinos und Antineutrinos Bearbeiten Es sind drei Generationen von Leptonen bekannt Jede davon besteht aus einem elektrisch geladenen Teilchen Elektron Myon oder Tauon und jeweils einem elektrisch neutralen Neutrino Elektron Neutrino n e displaystyle nu e nbsp Myon Neutrino n m displaystyle nu mu nbsp bzw Tau oder Tauon Neutrino n t displaystyle nu tau nbsp Hinzu kommen die entsprechenden drei Antiteilchen Alle Leptonen haben Spin 1 2 Nach neueren Erkenntnissen konnen sich Neutrinos ineinander umwandeln Das fuhrt zu einer Beschreibung der Neutrino Arten als drei verschiedene Zustande n 1 displaystyle nu 1 nbsp n 2 displaystyle nu 2 nbsp und n 3 displaystyle nu 3 nbsp die jeweils eine andere scharf bestimmte aber noch unbekannte Masse haben Die beobachtbaren Elektron Myon und Tau Neutrinos benannt nach dem jeweiligen geladenen Lepton mit dem zusammen sie auftreten sind quantenmechanische Uberlagerungen dieser drei Massen Eigenzustande Der Zusammenhang zwischen den Flavour Eigenzustanden n e displaystyle nu e nbsp n m displaystyle nu mu nbsp n t displaystyle nu tau nbsp und den Massen Eigenzustanden n 1 displaystyle nu 1 nbsp n 2 displaystyle nu 2 nbsp n 3 displaystyle nu 3 nbsp wird durch eine Mischungsmatrix dargestellt die PMNS Matrix Die Anzahl der Neutrinoarten mit einer Masse die kleiner als die halbe Masse des Z Bosons ist wurde in Prazisionsexperimenten u a am L3 Detektor am CERN zu genau drei bestimmt Es gibt derzeit keine Hinweise auf einen neutrinolosen doppelten Betazerfall Fruhere Arbeiten die dies nahegelegt hatten wurden durch genauere Messungen widerlegt 13 Ein neutrinoloser doppelter Betazerfall wurde bedeuten dass entweder die Erhaltung der Leptonenzahl verletzt oder das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ware In der quantenfeldtheoretischen Beschreibung hiesse dies im Widerspruch zum jetzigen Standardmodell dass das Neutrinofeld kein Dirac Spinor sondern ein Majorana Spinor ware Die Physiker Lee und Yang gaben den Anstoss fur ein Experiment zur Untersuchung der Spins von Neutrinos und Antineutrinos Dieses wurde 1956 von Chien Shiung Wu ausgefuhrt und brachte das Ergebnis dass die Paritatserhaltung nicht ausnahmslos gilt Das Neutrino erwies sich als Linkshander sein Spin ist seiner Bewegungsrichtung entgegengesetzt antiparallel siehe Handigkeit Ein Antineutrino ist dagegen rechtshandig Damit wird eine objektive Erklarung von links und rechts moglich Im Bereich der schwachen Wechselwirkung muss demnach beim Ubergang von einem Teilchen zu seinem Antiteilchen nicht nur eventuell vorhandene elektrische Ladung sondern auch die Paritat also der Spin vertauscht werden Die schwache Wechselwirkung unterscheidet sich also von der elektromagnetischen Wechselwirkung durch die Verknupfung des schwachen Isospins mit der Rechts oder Links Handigkeit eines Teilchens Bei den Leptonen und Quarks haben nur die linkshandigen Teilchen und ihre rechtshandigen Antiteilchen einen von Null verschiedenen schwachen Isospin Dagegen sind die rechtshandigen Teilchen und ihre linkshandigen Antiteilchen gegenuber schwachen Wechselwirkungen mit W Bosonen inert dieses Phanomen bezeichnet man als maximale Paritatsverletzung Gleichzeitig wird auch die Teilchen Antiteilchen Symmetrie C Symmetrie verletzt Lange schien es so dass die Physik unter der kombinierten CP Symmetrie invariant ist bis 1964 auch eine Verletzung der CP Symmetrie experimentell bestatigt wurde Dadurch wird auch verstandlich dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sein konnten obwohl sich Neutrinos und Antineutrinos im Experiment verschieden verhalten Die aus dem Experiment als Antineutrinos bekannten Teilchen waren einfach Neutrinos deren Spin parallel zur Bewegungsrichtung ist Man kann die Bewegungsrichtung der Neutrinos experimentell nicht einfach umdrehen auch kann man derzeit keine Experimente durchfuhren bei denen ein Neutrino von einem schnelleren Teilchen eingeholt wird und mit diesem wechselwirkt sodass die Bewegungsrichtung im Bezugssystem des Wechselwirkungsschwerpunkts der Bewegungsrichtung im Bezugssystem des Labors entgegengesetzt ist Neutrinomasse Bearbeiten nbsp Transport des Vakuumtanks fur das KATRIN Experiment zur Bestimmung der Neutrinomasse Nov 2006 Die Masse der Neutrinos ist extrem klein alle Experimente geben bislang nur obere Grenzen an Aber seit der Entdeckung der Neutrinooszillationen steht fest dass sie eine von Null verschiedene Masse haben mussen Methoden zur Bestimmung der Neutrinomasse zerfallen in vier Gruppen Direkte Bestimmung der Masse aus der fehlenden Energie beim Betazerfall Beobachtung von Neutrinooszillationen also Umwandlungen einer Neutrinoart in eine andere Suche nach neutrinolosen doppelten Betazerfallen Indirekte Folgerungen aus anderen Beobachtungen insbesondere aus der beobachtenden KosmologieAlle publizierten Ergebnisse werden von der Particle Data Group bewertet und fliessen in die jahrlich veroffentlichten Review of Particle Physics ein Direkte Messungen des Endpunktes des Betaspektrums von Tritium konnten bis 2006 die mogliche Masse der Elektron Neutrinos mit 2 eV c nach oben einschranken 14 Eine bessere Obergrenze erhofft man sich durch noch genauere Messungen des KATRIN Experiments am Karlsruher Institut fur Technologie das eine Obergrenze von 0 2 eV c erreichen soll Die bisherigen Messungen konnten nicht ausschliessen dass das leichteste Neutrino masselos ist und ohne eine Verbesserung der Messgenauigkeit um mehrere Grossenordnungen wird dies auch nicht erwartet 2022 wurde die obere Schranke auf 0 8 eV verbessert 15 Die Beobachtung von Neutrino Oszillationen ist eine indirekte Messung von Massendifferenzen zwischen verschiedenen Neutrinos Sie belegen dass Neutrinos tatsachlich eine im Vergleich zu den assoziierten geladenen Leptonen sehr kleine von null verschiedene Masse besitzen Die so erhaltenen sehr kleinen Massendifferenzen bedeuten auch dass die obige Massengrenze fur Elektron Neutrinos zugleich die Grenze fur alle Arten von Neutrinos ist Der hypothetische neutrinolose doppelte Betazerfall ist nur dann moglich wenn die Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind Dann kann es beim gleichzeitigen Beta Zerfall von 2 Neutronen in einem Atomkern manchmal zur Annihilation von 2 virtuellen Neutrinos anstatt zur Aussendung von 2 realen Neutrinos kommen Da die Neutrinos selbst kaum messbar sind misst man die Gesamtenergie der 2 bei dem Prozess entstehenden Elektronen Kommen neutrinolose Zerfalle vor so hat das Elektronen Gesamtenergie Spektrum ein lokales Maximum nahe der Zerfallsenergie weil nun fast die gesamte Zerfallsenergie durch die Elektronen abgefuhrt wird ein kleiner Rest geht in kinetische Energie des Atomkerns uber Der kosmologische Zugang zur Bestimmung der Neutrinomassen basiert auf der Beobachtung der Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung durch WMAP und anderen Beobachtungen die die Parameter des Lambda CDM Modells des heutigen Standardmodells der Kosmologie bestimmen Durch den Einfluss den Neutrinos auf die Strukturbildung im Universum und auf die primordiale Nukleosynthese haben kann Stand 2007 als Obergrenze fur die Summe der drei Neutrinomassen 0 2 eV c angenommen werden 16 17 Fur die Entdeckung der Neutrinooszillationen erhielten Takaaki Kajita und Arthur B McDonald 2015 den Nobelpreis fur Physik Geschwindigkeit Bearbeiten Hauptartikel Messungen der Neutrinogeschwindigkeit Aufgrund ihrer geringen Masse wird erwartet dass in teilchenphysikalischen Prozessen erzeugte Neutrinos sich mit nahezu Vakuumlichtgeschwindigkeit bewegen In mehreren Experimenten wurde die Geschwindigkeit von Neutrinos gemessen und eine Ubereinstimmung innerhalb der Messgenauigkeit mit der Lichtgeschwindigkeit beobachtet Die Messungen der Neutrinomasse Neutrinogeschwindigkeit und Neutrinooszillationen stellen daruber hinaus Moglichkeiten dar um die Gultigkeit der Lorentzinvarianz der speziellen Relativitatstheorie zu uberprufen Messergebnisse des OPERA Experimentes im Jahr 2011 nach denen sich Neutrinos mit Uberlichtgeschwindigkeit bewegt haben sollten konnten auf Messfehler zuruckgefuhrt werden Eine neue Messung durch ICARUS und auch eine neue Analyse der OPERA Daten haben Ubereinstimmungen mit der Lichtgeschwindigkeit ergeben Durchdringungsfahigkeit Bearbeiten Die Durchdringungsfahigkeit hangt von der Energie der Neutrinos ab Mit zunehmender Energie nimmt der Wirkungsquerschnitt der Neutrinos zu und die mittlere freie Weglange entsprechend ab Beispiel Die mittlere freie Weglange von Neutrinos mit einer Energie von 106 GeV bei Wechselwirkung mit der Erde liegt im Bereich des Erddurchmessers Das bedeutet dass beim Flug quer durch die Erde knapp zwei Drittel dieser Neutrinos wechselwirken wahrend ein gutes Drittel durch die Erde durchfliegt 18 Bei 11 MeV ist die mittlere freie Weglange in Blei bereits 350 Milliarden Kilometer und in der Erde wurden im Schnitt etwa drei von einer Milliarde Neutrinos eine Wechselwirkung eingehen wahrend die restlichen ungehindert durchfliegen Zum Vergleich Der grosste Teilchenbeschleuniger der Welt der Large Hadron Collider erzeugt Teilchen mit einer Energie von 6500 GeV pro Nukleon die Sonne produziert hauptsachlich Neutrinos mit Energien unterhalb von 10 MeV Eine Ubersicht uber den Wirkungsquerschnitt von Neutrinos bei verschiedenen Reaktionen und Energien veroffentlicht 2013 ist im Internet verfugbar 19 Zerfalle und Reaktionen Bearbeiten nbsp Feynmandiagramm fur den Zerfall eines Neutrons n displaystyle n nbsp in Proton p displaystyle p nbsp Elektron e displaystyle e nbsp und Elektron Antineutrino n e displaystyle overline nu e nbsp vermittelt uber ein W Boson W displaystyle W nbsp Diese Reaktion ist ein Beispiel fur den geladenen Strom Prozesse mit Neutrinos laufen uber die schwache Wechselwirkung ab Neutrinos unterliegen auch der Gravitation diese ist aber so schwach dass sie praktisch keinerlei Bedeutung hat Neutrinoprozesse lassen sich wie jede schwache Wechselwirkung in zwei Kategorien einteilen Geladener Strom Ein Elementarteilchen koppelt uber ein elektrisch geladenes W Boson an ein Neutrino Hierbei wandeln sich die beteiligten Teilchen in andere um Das Austauschboson ist je nach Reaktion positiv oder negativ geladen die Ladung bleibt also erhalten Auch eine elastische Streuung kann so verlaufen Weil dabei die Teilchen zu Beginn und Ende gleich sind lasst sie sich in der Regel jedoch einfach wie eine klassische Streuung beschreiben Neutraler Strom Ein Elementarteilchen koppelt uber ein elektrisch neutrales Z Boson an ein Neutrino Hierbei bleiben die beteiligten Teilchenflavours erhalten und die Reaktion ist wie ein elastischer Stoss der mit beliebigen Leptonen oder Quarks stattfinden kann Sofern der Energieubertrag gross genug ist konnen an getroffenen Atomkernen anschliessend Teilchenumwandlungen stattfinden Zerfalle Bearbeiten Die ersten bekannten Prozesse an denen Neutrinos teilnehmen waren die radioaktiven Betazerfalle Beim b Beta minus Zerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton um wobei ein Elektron und ein Elektron Antineutrino ausgesandt werden Dabei emittiert eines der beiden Down Quarks des Neutrons das intermediare Vektorboson W und verwandelt sich dadurch in ein Up Quark Das W Boson zerfallt danach in ein Elektron und ein Elektron Antineutrino Es handelt sich also um den geladenen Strom Dieser Zerfall tritt beispielsweise bei freien Neutronen auf aber auch bei Atomkernen mit grossem Neutronenuberschuss nbsp Bei der Proton Proton Reaktion im Inneren der Sonne werden Elektron Neutrinos erzeugtZ A X Z 1 A Y e n e displaystyle Z A mathrm X to Z 1 A mathrm Y e overline nu e nbsp Ein Nuklid geht unter Aussendung eines Elektrons und eines Elektron Antineutrinosin den Tochterkern mit einer um 1 hoheren Ordnungszahl uber Umgekehrt wandelt sich beim b Beta plus Zerfall ein Proton in ein Neutron um und beim Zerfall des entstandenen W Bosons werden ein Positron und ein Elektron Neutrino emittiert Der Prozess tritt bei Protonenuberschuss im Kern auf Da die Reaktionsprodukte schwerer sind als das ursprungliche Proton muss die Massendifferenz aus der Bindungsenergie des Kerns aufgebracht werden Z A X Z 1 A Y e n e displaystyle Z A mathrm X to Z 1 A mathrm Y e nu e nbsp Ein Nuklid geht unter Aussendung eines Positrons und eines Elektron Neutrinosin einen Tochterkern mit um 1 erniedrigter Ordnungszahl uber Reaktionen Bearbeiten Wichtige Neutrinoquellen sind auch kosmische Kernfusionsprozesse zum Beispiel in der Sonne Ein Beispiel ist die Proton Proton Reaktion die besonders bei kleinen Sternen von Bedeutung ist Dabei verschmelzen zwei Wasserstoffkerne unter extrem hoher Temperatur zu einem Deuteriumkern infolge der Umwandlung eines Protons in ein Neutron werden ein Positron und ein Elektron Neutrino frei 1 H 1 H 2 H e n e displaystyle 1 mathrm H 1 mathrm H to 2 mathrm H e nu e nbsp Diese Reaktion ist teilchenphysikalisch aquivalent mit dem b Zerfall Sie ist aber fur die Neutrinoforschung weitaus wichtiger weil in der Sonne sehr viele Neutrinos erzeugt werden Auch bei einem weiteren Fusionsprozess dem Bethe Weizsacker Zyklus in der Sonne und in schwereren Sternen entstehen Elektron Neutrinos Die Beobachtung der sogenannten Sonnenneutrinos ist wichtig um deren Eigenschaften Einzelheiten der Prozesse in der Sonne und die fundamentalen Wechselwirkungen der Physik zu verstehen Reaktionen mit einem Neutrino als auslosendem Stosspartner sind als umgekehrter Betazerfall wichtig zur Detektion von Neutrinos wie beispielsweise im historischen Cowan Reines Neutrinoexperiment n e p n e displaystyle mathrm bar nu e mathrm p rightarrow mathrm n mathrm e nbsp Neutrinoforschung BearbeitenObwohl die geringe Reaktionsfreudigkeit der Neutrinos deren Nachweis schwierig macht kann man das Durchdringungsvermogen der Neutrinos in der Forschung auch ausnutzen Neutrinos aus kosmischen Ereignissen erreichen die Erde wahrend elektromagnetische Strahlung oder andere Teilchen von interstellarer Materie abgeschirmt werden Astrophysik Bearbeiten Zuerst wurden Neutrinos genutzt um das Innere der Sonne zu erforschen Die direkte optische Beobachtung des Kerns ist aufgrund der Diffusion elektromagnetischer Strahlung in den umgebenden Plasmaschichten nicht moglich Die Neutrinos jedoch die bei den Fusionsreaktionen im Sonneninneren in grosser Zahl entstehen wechselwirken nur schwach und konnen das Plasma praktisch ungehindert durchdringen Ein Photon benotigt typischerweise einige 1000 Jahre bis es an die Sonnenoberflache diffundiert ein Neutrino benotigt dafur nur einige Sekunden Spater nutzte man Neutrinos auch zur Beobachtung von kosmischen Objekten und Ereignissen jenseits unseres Sonnensystems Sie sind die einzigen bekannten Teilchen die von interstellarer Materie nicht deutlich beeinflusst werden Elektromagnetische Signale konnen von Staub und Gaswolken abgeschirmt werden oder aber bei der Detektion auf der Erde von kosmischer Strahlung uberdeckt werden Die kosmische Strahlung ihrerseits in Form von superschnellen Protonen und Atomkernen kann sich aufgrund des GZK Cutoff Wechselwirkung mit Hintergrundstrahlung nicht weiter als 100 Megaparsec ausbreiten Auch das Zentrum unserer Galaxie ist wegen dichten Gases und zahlloser heller Sterne von direkter Beobachtung ausgeschlossen Es ist jedoch wahrscheinlich dass Neutrinos aus dem galaktischen Zentrum in naher Zukunft auf der Erde gemessen werden konnen Ebenfalls eine wichtige Rolle spielen Neutrinos bei der Beobachtung von Supernovae die etwa 99 ihrer Energie in einem Neutrinoblitz freisetzen Die entstandenen Neutrinos lassen sich auf der Erde nachweisen und geben Informationen uber die Vorgange wahrend der Supernova Im Jahr 1987 wurden Neutrinos von der Supernova 1987A aus der Grossen Magellanschen Wolke nachgewiesen elf im Kamiokande 20 acht im Irvine Michigan Brookhaven Experiment 21 funf im Mont Blanc Underground Neutrino Observatory 22 und moglicherweise funf im Baksan Detektor 23 24 Dies waren die ersten nachgewiesenen Neutrinos die sicher aus einer Supernova stammten denn diese wurde wenige Stunden spater mit Teleskopen beobachtet Experimente wie IceCube Amanda Antares und Nestor haben den Nachweis kosmogener Neutrinos zum Ziel IceCube ist das derzeit 2018 grosste Neutrinoobservatorium Neutrinodetektoren Bearbeiten Hauptartikel Neutrinodetektor Das bereits im vorhergehenden Abschnitt Astrophysik erwahnte Experiment IceCube ist ein Hochenergie Neutrino Observatorium mit etwa 260 Mitarbeitern Es wurde 2010 im Eis des Sudpols fertiggestellt und hat ein Volumen von 1 km Die Reaktion der Hochenergie Neutrinos mit den Elementarteilchen des Eises wird mit diesem Detektor beobachtet und ausgewertet Weitere bekannte Neutrinodetektoren sind einerseits die radiochemischen Detektoren z B das Chlorexperiment in der Homestake Goldmine USA oder der GALLEX Detektor im Gran Sasso Tunnel in Italien andererseits die auf dem Tscherenkow Effekt basierenden Detektoren hier vor allem das Sudbury Neutrino Observatory SNO und Super Kamiokande Sie weisen solare und atmospharische Neutrinos nach und erlauben u a die Messung von Neutrinooszillationen und damit Ruckschlusse auf die Differenzen der Neutrinomassen da die im Sonneninneren ablaufenden Reaktionen und somit die Neutrinoemission der Sonne gut bekannt sind Experimente wie das Double Chooz Experiment oder der seit 2002 arbeitende KamLAND Detektor 25 im Kamioka Neutrino Observatory sind in der Lage uber den inversen Betazerfall Geoneutrinos und Reaktorneutrinos nachzuweisen und liefern komplementare Information aus einem Bereich der von solaren Neutrinodetektoren nicht abgedeckt wird Einer der derzeit grossten Neutrino Detektoren namens MINOS steht unterirdisch in einer Eisenmine in den USA 750 Kilometer vom Forschungszentrum Fermilab entfernt Von diesem Forschungszentrum wird ein Neutrinostrahl in Richtung des Detektors ausgestrahlt wo dann gezahlt wird wie viele der Neutrinos sich wahrend des unterirdischen Fluges umwandeln Das CNGS Experiment CERN Neutrinos to Gran Sasso untersucht seit 2007 die Physik der Neutrinos Dazu wird ein Neutrinostrahl vom CERN uber eine Entfernung von 732 km durch die Erdkruste zum Gran Sasso Laboratorium in Italien geschickt und dort detektiert Einige der Myon Neutrinos wandeln sich unterwegs in andere Neutrinoarten fast ausschliesslich Tau Neutrinos um die vom OPERA Detektor Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus nachgewiesen werden Fur die damit zusammenhangenden Geschwindigkeitsmessungen siehe den Abschnitt Geschwindigkeit Im Marz 2023 wurde berichtet dass am FASER Detektor des LHC erstmals Neutrinos nachgewiesen wurden die in einem Teilchenbeschleuniger erzeugt wurden 26 Anwendung BearbeitenForscher des Sandia National Laboratories wollen den Nachweis von Antineutrinos dazu nutzen die Produktion von Plutonium in Kernreaktoren zu messen damit die IAEO nicht mehr auf Schatzungen angewiesen ist und niemand mehr etwas fur den Bau von Nuklearwaffen abzweigen kann Wegen der hohen Produktionsrate von Antineutrinos in Kernreaktoren wurde schon ein Detektor mit 1 m Detektorflussigkeit vor dem Kernkraftwerk ausreichen 27 Forschern der University of Rochester und North Carolina State University ist es 2012 zum ersten Mal gelungen eine Nachricht mit Hilfe von Neutrinos durch feste Materie zu senden Ein Protonenbeschleuniger erzeugte einen Neutrinostrahl der 100 Meter unter der Erde von einem Neutrinodetektor erfasst wurde 28 Literatur BearbeitenKai Zuber Neutrino Physics Institute of Physics Publishing Bristol Philadelphia 2004 ISBN 0 7503 0750 1 Konrad Kleinknecht Detektoren fur Teilchenstrahlung 4 Auflage Teubner Verlag Wiesbaden 2005 ISBN 3 8351 0058 0 Heinrich Pas Die perfekte Welle Mit Neutrinos an die Grenzen von Raum und Zeit oder warum Teilchenphysik wie Surfen ist Piper Munchen 2011 ISBN 978 3 492 05412 6 Norbert Schmitz Neutrinophysik Teubner Verlag Stuttgart 1997 ISBN 3 519 03236 8 doi 10 1007 978 3 322 80114 2 Y Suzuki M Nakahata S Moriyama Hrsg The Fifth International Workshop on Neutrino Oscillations and Their Origin Proceedings of the Fifth International Workshop World Scientific Publishing 2005 ISBN 978 981 256 362 0 Jennifer A Thomas Neutrino oscillations present status 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Synchrotron Zeuthen im April 2010 Was sind Neutrinos aus der Fernseh Sendereihe alpha Centauri ca 15 Minuten Erstmals ausgestrahlt am 13 Okt 2002 Wo sind die Neutrinos aus der Fernseh Sendereihe alpha Centauri ca 15 Minuten Erstmals ausgestrahlt am 19 Jan 2003 Einzelnachweise Bearbeiten Measurement of the multi TeV neutrino interaction cross section with IceCube using Earth absorption In Nature Band 551 Nr 7682 2017 S 596 600 doi 10 1038 nature24459 Recent happenings in high energy physics In New Scientist Reed Business Information 21 Januar 1971 S 106 englisch books google com abgerufen am 22 Marz 2023 History of Neutrino Physics Pauli s Letters Memento vom 20 Mai 2014 im Internet Archive PDF 104 kB Abendvorlesung Geschichte der Neutrino Physik gehalten von Rudolf Mossbauer an der Technischen Universitat Munchen Abgerufen am 22 Marz 2023 Claus Grupen Boris Shwartz Particle Detectors Cambridge Monographs on Particle Physics Nuclear Physics and Cosmology Cambridge University Press 2008 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