Atmosphärische Neutrinos
Atmosphärische Neutrinos entstehen, wenn kosmische Strahlung auf die Lufthülle der Erde trifft. Sie sind die Quelle, mit der die Neutrinooszillation 1998 erstmals nachgewiesen wurde — und sie liefern bis heute eine der elegantesten Messanordnungen der Physik.
Wie sie entstehen
Aus dem Weltall treffen ständig Protonen und Atomkerne hoher Energie auf die Erde. In etwa 15 bis 20 Kilometern Höhe stoßen sie mit Stickstoff- und Sauerstoffkernen zusammen und erzeugen einen Schauer aus Sekundärteilchen, überwiegend Pionen und Kaonen.
Ein geladenes Pion zerfällt in ein Myon und ein Myon-Neutrino. Das Myon zerfällt seinerseits in ein Elektron, ein Elektron-Neutrino und ein weiteres Myon-Neutrino.
Zählt man zusammen, erwartet man doppelt so viele Myon-Neutrinos wie Elektron-Neutrinos.
Warum dieses Verhältnis so wertvoll ist
Der absolute Fluss der kosmischen Strahlung ist nur auf etwa zwanzig Prozent genau bekannt. Für eine Messung, bei der es um wenige Prozent geht, wäre das wertlos.
Das Verhältnis von 2 zu 1 dagegen folgt allein aus der Zerfallskette. Es hängt kaum davon ab, wie stark die kosmische Strahlung gerade ist oder wie ihre Zusammensetzung aussieht. Man muss die Quelle also nicht genau kennen, um eine scharfe Vorhersage zu haben.
Genau das macht atmosphärische Neutrinos für Präzisionsmessungen brauchbar, obwohl niemand sie kontrolliert.
Die Erde als Maßstab
Die zweite Besonderheit ist geometrisch. Ein Detektor tief unter der Erde empfängt Neutrinos aus allen Richtungen — aber die haben sehr unterschiedliche Wege hinter sich.
Neutrinos von oben entstanden 15 Kilometer über dem Detektor. Neutrinos von unten entstanden auf der anderen Seite des Planeten und haben rund 13.000 Kilometer zurückgelegt.
Ein und derselbe Detektor misst damit gleichzeitig eine sehr kurze und eine sehr lange Strecke — ein Verhältnis von fast tausend zu eins, und das ohne Beschleuniger, ohne zweiten Standort, ohne Kosten.
Da die Oszillation von der Weglänge abhängt, zeigt sich der Effekt als Abhängigkeit vom Einfallswinkel.
Die Entdeckung von 1998
Super-Kamiokande nutzte genau das. Der Detektor fand von oben die erwartete Zahl an Myon-Neutrinos — von unten nur etwa die Hälfte. Elektron-Neutrinos zeigten kein solches Defizit.
Diese Winkelabhängigkeit war der eigentliche Beweis. Ein Detektorfehler hätte oben wie unten gleich gewirkt; eine Umwandlung, die von der Weglänge abhängt, wirkt genau so.
Takaaki Kajita stellte das Ergebnis im Juni 1998 vor. Es war der erste belastbare Nachweis, dass Neutrinos oszillieren und damit Masse besitzen. 2015 folgte der Nobelpreis.
Die Schönheit dieser Messung liegt darin, wie wenig sie brauchte: einen Detektor, den Himmel und den Erdball als Maßstab.
Heutige Nutzung
Atmosphärische Neutrinos werden weiterhin gemessen. IceCube und der ORCA-Teil von KM3NeT nutzen sie, um die Reihenfolge der Neutrinomassen zu bestimmen — denn beim Durchqueren der Erde wirkt der MSW-Effekt unterschiedlich, je nachdem, welche Masse die größte ist.
Der Energiebereich reicht von wenigen hundert Megaelektronenvolt bis in den Petaelektronenvolt-Bereich. Bei den höchsten Energien tragen zusätzlich Zerfälle von Teilchen mit Charm-Quarks bei — ein Beitrag, der noch nicht sicher vermessen ist.
Der unerwünschte Zwilling
Zugleich sind atmosphärische Neutrinos überall dort ein Untergrund, wo man etwas anderes sucht.
Für Experimente zum Protonenzerfall und zur dunklen Materie bilden sie die Grenze des Machbaren. Man kann sie nicht abschirmen — kein Fels der Welt hält sie auf. Ab einer bestimmten Detektorgröße überdecken sie das gesuchte Signal unweigerlich.
Diese Schranke heißt in der Fachsprache Neutrino-Fußabdruck und markiert, wo die Empfindlichkeit einer ganzen Geräteklasse endet.
Verwandte Begriffe
- Super-Kamiokande — die Entdeckung
- Kosmische Myonen — dieselbe Herkunft
- Neutrinooszillation
- Takaaki Kajita
Quellen
- Super-Kamiokande-Kollaboration: Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).