Lexikon: Neutrinooszillation

 

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Neutrino|Neutrinos sind die leichtesten bekannten Leptonen. Leptonen treten in drei Flavour-Generationen (Teilchen-Arten) auf:

  • und Elektron-Neutrino
  • Myon und Myon-Neutrino
  • Tauon und Tau-Neutrino

Neutrinooszillationen bezeichnet die Umwandlung von einer Neutrinoart in eine andere aufgrund Quantenmechanik|quantenmechanischer Prozesse.


Solares Neutrinodefizit

Zum ersten Mal wurde über mögliche Neutrinooszillationen bei der Entdeckung des solaren Neutrinodefizits diskutiert. Neutrinos entstehen in großer Zahl bei sprozessen im Inneren der . In den 1960er Jahren begann Raymond Davis Jr.|Raymond Davis mit der Untersuchung des solaren Neutrinostroms mit einem Elektron-Neutrinodetektor in der Homestake-Mine (Chlordetektor). Der gemessene Neutrinofluss entsprach aber lediglich etwa der Hälfte des aufgrund der der Sonne erwarteten Flusses. Da das Sonnen-Modell gut verstanden ist und experimentell mehrfach bestätigt wurde, kann dieses Ergebnis als ein "Verschwinden" der Neutrinos gedeutet werden. Aus heutiger Sicht bedeutet dies, dass die Elektron-Neutrinos in Myon-Neutrinos oszilliert sind. Raymond Davis Jr.|Raymond Davis erhielt für das Homestake-Experiment den in Physik 2002.

Theoretische Grundlage

Hierfür werden zwei Annahmen benötigt. Zum einen müssen Neutrinos unterschiedliche Masse (Physik)|Massen besitzen, zum anderen sollen die Massen-Eigenzustände der Neutrinos gegenüber den Wechselwirkungs-Zuständen (analog zur CKM-Mischung im Quark (Physik)|Quark-Sektor) vermischt sein. Eine Näherungsformel für die 2-Flavour-Oszillation Elektronneutrino nach Myon-Neutrino ist

P(\nu_e \rightarrow \nu_\mu) = \sin^2 \left(\frac{\Delta(m^2)L}{4E_\nu} \right)\cdot \sin^2 \left(2\Theta_m \right)

Hierbei ist L die zurückgelegte Strecke des Neutrinos, \Theta_m der Mischungswinkel der Flavours und \Delta m^2 der Massenunterschied der Flavours.

Bei Neutrinooszillationen in Materie tritt der so genannte MSW-Effekt auf (Nur bei Dichteänderung) (benannt nach Stanislav Mikheyev, Alexi Smirnov und Lincoln Wolfenstein). Dieser verursacht für bestimmte Elektronendichten und Neutrino-Massendifferenzen in Materie eine resonante Verstärkung der Oszillation.

Neutrinooszillationen bieten einen ersten Einblick in die Physik jenseits des Standardmodell|Standard-Modells. Nach dem Standardmodell hätten Neutrinos keine Masse, insbesondere also keine (quadratischen) Massendifferenzen; zudem würden sie nur als linkshändige Teilchen auftreten. Sind die Neutrinos jedoch massenbehaftete Teilchen – dies wird gerade durch Neutrinooszillationen bestätigt – so sind auch rechtshändige Neutrinos möglich. Die elektroschwache Wechselwirkung wirkt nur auf linkshändige Neutrino-Teilchen, die rechtshändigen Neutrinos würden keiner Wechselwirkung (außer der ) unterliegen (sterile Neutrinos, Wimp|WIMPs).

Experimente

  • Radiochemische Experimente wie das erwähnte Homestake-Experiment messen den Elektron-Neutrino-Fluss über einen längeren Zeitraum. Man nutzt in solchen Experimenten aus, dass der Betazerfall|Beta-Zerfall durch Neutrino-Einfang umgekehrt werden kann. Zum Beispiel wandelt sich 71Gallium|Ga durch Einfang eines Elektron-Neutrinos in 71Germanium|Ge unter Emission eines Elektrons um. Diese einzelnen Atome können dann, wie beim GALLEX-Experiment im Gran Sasso, aus dem Detektor chemisch abgetrennt und durch den Rückzerfall nachgewiesen werden.
  • Echtzeitexperimente erfassen nicht die Neutrinos selbst, sondern ihren Rückstoß-Partner. Dessen Impuls wird oft über die Tscherenkow-Strahlung ausgewertet, aber auch andere Detektoermethoden der Hochenergiephysik kommen zum Einsatz. Zu diesem Experimente-Typ gehört der japanische Super-Kamiokande-Detektor, ein 50000t Leicht-Wasser-Target mit mehr als 10000 Photomultipliern sowie der kanadische Sudbury Neutrino Observatory|SNO-Detektor sowie die im italienischen Gran Sasso Underground Laboratory geplanten Detektoren OPERA und ICARUS (direkter Nachweis der Tau-Neutrino Appearance).

Beide Experimententypen bestätigen die Neutrinooszillationen.

Siehe auch:

Web-Links

Kategorie:Teilchenphysik

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