Antineutrino

Das Antineutrino ist das Antiteilchen des Neutrinos. Es entsteht überall dort, wo Kerne durch Betazerfall Elektronen aussenden — in Kernreaktoren, im Erdinneren und in Sternen.

Historisch ist es das wichtigere der beiden: Der erste Nachweis eines Neutrinos durch Cowan und Reines war in Wahrheit der Nachweis eines Antineutrinos.

Die Buchhaltung der Leptonzahl

Der Unterschied liegt in einer Erhaltungsgröße. Man ordnet jedem Lepton die Zahl +1 zu, jedem Antilepton −1. Bei allen bekannten Vorgängen bleibt die Summe erhalten.

Beim gewöhnlichen Betazerfall wird ein Neutron zu einem Proton, einem Elektron und einem Antineutrino. Das Elektron trägt +1, das Antineutrino −1; zusammen null, wie vor dem Zerfall.

Beim Zerfall eines Protons im Kernverband entstehen ein Positron und ein Neutrino: −1 und +1. Wieder geht die Rechnung auf.

Diese Regel ist keine Ableitung aus einem tieferen Prinzip. Sie ist eine Beobachtung — und genau deshalb interessant, denn Regeln ohne Begründung sind diejenigen, die am ehesten fallen.

Der praktische Unterschied

Die Buchhaltung hat handfeste Folgen für den Nachweis.

Ein Antineutrino kann ein Proton in ein Neutron und ein Positron verwandeln — den inversen Betazerfall. Darauf beruhen alle Reaktorexperimente von Daya Bay bis JUNO, und ihm verdankt sich das charakteristische Doppelsignal aus zwei Lichtblitzen. Der Vorgang hat eine Schwelle von 1,8 Megaelektronenvolt; darunter reicht die Energie nicht.

Ein Neutrino kann das nicht. Es wandelt stattdessen ein Neutron in ein Proton und ein Elektron um. Das ist der Vorgang, den Raymond Davis beim Homestake-Experiment nutzte — und der Grund, warum sein Chlortank auf Sonnenneutrinos ansprach, nicht aber auf Reaktorantineutrinos.

Davis prüfte das ausdrücklich nach: Er stellte einen Tank an einen Reaktor und fand nichts. Eine Negativkontrolle, wie sie im Buche steht — und zugleich ein Beleg dafür, dass die Unterscheidung real ist und nicht bloß Buchhaltung.

Was den Unterschied ausmacht

Bei geladenen Teilchen ist der Unterschied augenfällig: Das Positron trägt die entgegengesetzte Ladung des Elektrons, und keine Messung könnte beide verwechseln.

Beim Neutrino gibt es keine Ladung. Was wir als Neutrino und Antineutrino unterscheiden, unterscheidet sich messbar allein in der Helizität — der Frage, ob der Eigendrehimpuls in Flugrichtung zeigt oder entgegen.

Und genau das ist der wunde Punkt. Bei einem Teilchen mit Masse ist die Helizität keine absolute Eigenschaft. Ein hinreichend schneller Beobachter könnte das Teilchen überholen; von vorn betrachtet kehrt sich die Flugrichtung um, der Spin aber nicht.

Da die Neutrinooszillation die Masse belegt, ist die Unterscheidung also beobachterabhängig — jedenfalls im Grundsatz.

Die offene Frage: Dirac oder Majorana

Damit stellt sich eine Frage, die Ettore Majorana 1937 aufwarf: Sind Neutrino und Antineutrino womöglich dasselbe Teilchen, das nur je nach Umständen verschieden erscheint?

Solche Teilchen heißen heute Majorana-Teilchen. Der Gegenentwurf — beide als wirklich verschiedene Zustände — heißt Dirac-Teilchen, nach Paul Dirac, aus dessen Gleichung die Existenz von Antiteilchen ursprünglich folgte.

Entscheiden ließe sich die Frage allein durch den neutrinolosen Doppelbetazerfall. Er ist nur möglich, wenn Majorana recht hatte. Trotz jahrzehntelanger Suche wurde er nicht beobachtet.

Warum die Antwort wichtig wäre

Wäre das Neutrino ein Majorana-Teilchen, so wäre die Leptonzahl keine strenge Erhaltungsgröße. Das öffnete den Weg zum Seesaw-Mechanismus, der erklären könnte, warum Neutrinomassen so winzig sind — und über die Leptogenese zu einer Erklärung, warum das Weltall aus Materie besteht und nicht aus nichts.

An einer scheinbar technischen Frage hängt damit eine der größten offenen Fragen überhaupt.

Quellen

E. Majorana: Teoria simmetrica dell'elettrone e del positrone, Il Nuovo Cimento 14, 171 (1937).
Particle Data Group: Review of Particle Physics, Abschnitt Neutrinos.