Techniklexikon

Neutrinos

Teilchenphysik, Teilchen, die nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen und sehr kleine Reaktions-Wirkungsquerschnitte besitzen, weswegen sie Materie nahezu ungehindert durchdringen können.

Um die fundamentalen Sätze der Energie- und Impulserhaltung beim -Zerfall zu gewährleisten, postulierte W. Pauli 1930 die Existenz eines neutralen, leichten Spin--Teilchens, des Neutrinos (Bezeichnung ), dessen direkter Nachweis jedoch erst 1956 gelang.

Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik bilden Neutrinos zusammen mit den drei geladenen Fermionen Elektron (), Myon () sowie Tau () die Gruppe der Leptonen. Der leptonische Sektor der Elementarteilchen wird in drei Generationen unterteilt, wobei jedes Neutrino zusammen mit einem geladenen Lepton eine Familie (Flavor) bildet. Zur Unterscheidung werden Neutrinos daher mit , ,  bezeichnet.

Heutzutage stellt die Neutrinophysik ein wichtiges Bindeglied zwischen moderner Teilchenphysik und Teilchenastrophysik dar. Dies liegt daran, dass Neutrinos an vielen Stellen in der Natur sowie in Laboratorien erzeugt werden: in Kernreaktoren und Teilchenbeschleunigern (Beschleuniger), beim radioaktiven Zerfall, in der kosmischen Strahlung und der Erdatmosphäre, bei astrophysikalischen Prozessen in Sternen und Galaxien sowie in der Kosmologie, wo sie massgeblich an der Entwicklung des Universums in seinen frühen Anfängen nach dem Urknall beteiligt waren, und als möglicher Kandidat für einen Teil der fehlenden dunklen Materie im Weltall gehandelt werden.

Dabei ist insbesondere die Suche nach einer endlichen Neutrinomasse eine zentrale Fragestellung; damit eng verknüpft sind Fragen nach Neutrinozerfällen, Neutrinooszillationen, die Frage nach einer inneren Struktur von Neutrinos, sowie, ob es sich um Dirac- oder Majorana-Teilchen handelt. Majorana-Teilchen sind identisch mit ihren Antiteilchen (z.B. das Photon); für Fermionen, die durch die Dirac-Gleichung beschrieben werden, korrespondiert das zur der Forderung . Es ist zweckmässig, in diesem Fall die rein imaginäre Majorana-Darstellung zu verwenden. Damit  die ladungskonjugierte Dirac-Gleichung erfüllt, muss die darstellungsunabhängige Bedingung  erfüllt sein. In der Majorana-Darstellung führt das zu , d.h. die Äquivalenz von Teilchen und Antiteilchen manifestiert sich in der Majorana-Darstellung in einer reellen Wellenfunktion und einer reellen Wellengleichung. Ob Neutrinos Majorana-Teilchen sind oder nicht (also Dirac-Teilchen; die Terminolgie ist etwas verwirrend, da beide Typen die Dirac-Gleichung erfüllen), ist a priori unklar. Der Unterschied verschwindet nur, falls die Neutrinomasse Null ist.

Hinweise auf endliche Neutrinoruhemassen ergeben sich aus der Untersuchung des Flusses von Neutrinos aus der Sonne (sog. solare Neutrinos), wo sie bei der thermonuklearen Energieerzeugung in deren Innerem entstehen, sowie aus der Messung des Flusses von Neutrinos, welche durch kosmische Höhenstrahlung in der äusseren Erdatmosphäre erzeugt werden (sog. atmosphärische Neutrinos).

Endliche Neutrinoruhemassen werden weiterhin durch Präzisionsexperimente untersucht, die die Form des Betaspektrums beim radioaktiven Zerfall untersuchen, sowie durch Suche von Neutrinooszillationen an Kernreaktoren oder Teilchenbeschleunigern.