Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine der beeindruckendsten Leistungen der Wissenschaft. Es ist eine rigorose, präzise Anstrengung, drei der vier Grundkräfte des Universums zu verstehen und zu beschreiben: die elektromagnetische Kraft, die starke Kernkraft und die schwache Kernkraft. Die Schwerkraft fehlt, da es bisher äußerst schwierig war, sie in das Standardmodell einzubauen.
Das Standardmodell enthält jedoch einige Löcher, von denen eines die Masse des Neutrinos betrifft.
Die Existenz des Neutrinos wurde erstmals 1930 vorgeschlagen und 1956 entdeckt. Seitdem haben Physiker erfahren, dass es drei Arten von Neutrinos gibt, die reichlich vorhanden und schwer fassbar sind. Nur spezielle Einrichtungen können sie erkennen, da sie selten mit anderen Stoffen interagieren. Es gibt mehrere Quellen für sie, und einige von ihnen sind seit dem Urknall durch den Weltraum geflogen, aber die meisten Neutrinos in der Nähe der Erde stammen von der Sonne.
Das Standardmodell sagt voraus, dass Neutrinos wie Photonen keine Masse haben. Physiker haben jedoch festgestellt, dass sich die drei Arten von Neutrinos bei ihrer Bewegung ineinander verwandeln können. Laut Physikern sollten sie das nur können, wenn sie Masse haben.
Aber wie viel Masse? Das ist eine Frage, die Teilchenphysiker verfolgt. Die Beantwortung dieser Frage ist Teil dessen, was Wissenschaftler bei KATRIN antreibt (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment).
„Diese Ergebnisse der KATRIN-Zusammenarbeit reduzieren den bisherigen Massenbereich für das Neutrino um den Faktor zwei…“
HAMISH ROBERTSON, KATRIN-WISSENSCHAFTLER UND PROFESSOR EMERITUS DER PHYSIK AN DER UNIVERSITÄT WASHINGTON.
Ein Forscherteam hat einen Teil einer Antwort darauf gefunden: Die Masse des Neutrinos darf nicht größer als 1,1 Elektronenvolt (eV) sein. Dies ist eine Verringerung der Obergrenze der Masse eines Neutrinos um fast 1 eV; von 2 eV bis 1,1 eV. Indem diese Forscher auf früheren Experimenten aufbauen, bei denen die untere Massengrenze auf 0,02 eV festgelegt wurde, haben sie einen neuen Bereich für die Neutrino-Masse festgelegt. Es zeigt, dass ein Neutrino weniger als 1 / 500.000stel der Masse eines Elektrons hat. Dies ist ein wichtiger Schritt bei der Weiterentwicklung des Standardmodells.
"Wenn die Masse des Neutrinos bekannt ist, können Wissenschaftler grundlegende Fragen der Kosmologie, Astrophysik und Teilchenphysik beantworten ..."
Hamish Robertson, KATRIN-Wissenschaftler und emeritierter Professor für Physik an der University of Washington.
Die Forscher hinter dieser Arbeit kommen aus 20 verschiedenen Forschungseinrichtungen auf der ganzen Welt. Sie arbeiten mit KATRIN am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland. Die KATRIN-Anlage verfügt über ein 10-Meter-Spektrometer mit hoher Auflösung, mit dem Elektronenenergien mit hoher Präzision gemessen werden können.
Das KATRIN-Team präsentierte seine Ergebnisse auf der Konferenz „Topics in Astroparticle and Underground Physics“ 2019 am 13. September in Toyama, Japan.
"Wenn die Masse des Neutrinos bekannt ist, können Wissenschaftler grundlegende Fragen der Kosmologie, Astrophysik und Teilchenphysik beantworten, z. B. wie sich das Universum entwickelt hat oder welche Physik jenseits des Standardmodells existiert", sagte Hamish Robertson, ein KATRIN-Wissenschaftler und emeritierter Professor für Physik an der University of Washington. "Diese Ergebnisse der KATRIN-Zusammenarbeit reduzieren den bisherigen Massenbereich für das Neutrino um den Faktor zwei, legen strengere Kriterien für die tatsächliche Masse des Neutrinos fest und bieten einen Weg, um seinen Wert endgültig zu messen."
Neutrinos sind bekanntermaßen schwer zu erkennen, obwohl sie reichlich vorhanden sind. Nur Photonen sind häufiger vorhanden. Wie der Name schon sagt, sind sie elektrisch neutral. Dies macht das Erkennen extrem schwierig. Es gibt Neutrino-Observatorien, die tief im antarktischen Eis und auch tief in verlassenen Minen versenkt sind. Sie verwenden oft schweres Wasser, um die Neutrinos zur Interaktion zu verleiten. Wenn ein Neutrino interagiert, erzeugt es Cherenkov-Strahlung, die gemessen werden kann.
"Wenn Sie das Sonnensystem bis zu fünfzig Mal außerhalb der Umlaufbahn von Pluto mit Blei füllen würden, würde etwa die Hälfte der von der Sonne emittierten Neutrinos das Sonnensystem immer noch verlassen, ohne mit diesem Blei zu interagieren", sagte Robertson.
Die Geschichte des Neutrinos hat sich im Laufe der Zeit mit Experimenten wie KATRIN weiterentwickelt. Ursprünglich hatte das Standardmodell vorausgesagt, dass Neutrinos keine Masse haben würden. Im Jahr 2001 zeigten zwei verschiedene Detektoren, dass ihre Masse ungleich Null ist. Der Nobelpreis für Physik 2015 wurde an zwei Wissenschaftler verliehen, die zeigten, dass Neutrinos zwischen Typen schwingen können und zeigen, dass sie Masse haben.
Die KATRIN-Anlage misst indirekt die Masse der Neutrinos. Es überwacht den Zerfall von Tritium, einer hochradioaktiven Form von Wasserstoff. Wenn das Tritiumisotop zerfällt, emittiert es Partikelpaare: ein Elektron und ein Anti-Neutrino. Zusammen teilen sie 18.560 eV Energie.
In den meisten Fällen teilen sich die Partikelpaare die 18.560 eV zu gleichen Teilen. In seltenen Fällen verbraucht das Elektron jedoch den größten Teil der Energie und lässt das Neutrino nur sehr wenig übrig. Auf diese seltenen Fälle konzentrieren sich die Wissenschaftler.
Aufgrund von E = mC2 muss die winzige Energiemenge, die in diesen seltenen Fällen für das Neutrino übrig bleibt, auch seiner Masse entsprechen. Da KATRIN das Elektron genau messen kann, kann es auch die Masse des Neutrinos bestimmen.
"Die Lösung der Masse des Neutrinos würde uns in eine schöne neue Welt der Schaffung eines neuen Standardmodells führen", sagte Peter Doe, ein Forschungsprofessor für Physik an der University of Washington, der an KATRIN arbeitet.
Dieses neue Standardmodell, das Doe erwähnt, hat möglicherweise das Potenzial, dunkle Materie zu erklären, die den größten Teil der Materie im Universum ausmacht. Bemühungen wie KATRIN könnten eines Tages eine andere, vierte Art von Neutrino nachweisen, die als steriles Neutrino bezeichnet wird. Bisher ist dieser vierte Typ nur eine Vermutung, aber er ist ein Kandidat für die Dunkle Materie.
"Neutrinos sind seltsame kleine Partikel", sagte Doe. "Sie sind so allgegenwärtig und es gibt so viel, was wir lernen können, wenn wir diesen Wert bestimmen."
Es ist wichtig zu zeigen, dass Neutrinos Masse haben, und den Bereich dieser Masse einzuschränken. Aber Teilchenphysiker wissen immer noch nicht, wie sie an Masse gewinnen. Es ist wahrscheinlich anders, als wenn andere Partikel ihre gewinnen.
Ergebnisse wie diese von KATRIN tragen dazu bei, eine Lücke im Standardmodell und in unserem Gesamtverständnis des Universums zu schließen. Das Universum ist voll von alten Neutrinos aus dem Urknall, und jeder Fortschritt in der Masse des Neutrinos hilft uns zu verstehen, wie sich das Universum gebildet und entwickelt hat.
Mehr:
- Pressemitteilung: KATRIN halbiert die Massenschätzung für das schwer fassbare Neutrino
- Karlsruher Institut für Technologie: KATRIN
- CERN: Das Standardmodell
- Symmetry Magazine: Fünf Geheimnisse, die das Standardmodell nicht erklären kann
- MIT News: 3Q: Wissenschaftler halbieren die Schätzung der Neutrino-Masse
