Helizität

Die Helizität beschreibt, wie der Eigendrehimpuls eines Teilchens zu seiner Flugrichtung steht. Beim Neutrino ist sie bemerkenswert: Alle beobachteten Neutrinos sind linkshändig, alle Antineutrinos rechtshändig.

Kein anderes Teilchen zeigt eine solche Einseitigkeit.

Das Bild vom Korkenzieher

Jedes Teilchen mit Spin hat eine Drehachse. Zeigt der Spin in Flugrichtung, heißt das Teilchen rechtshändig; zeigt er entgegen, linkshändig.

Ein Korkenzieher hilft: Ein Rechtsgewinde bewegt sich beim Drehen im Uhrzeigersinn vorwärts, ein Linksgewinde rückwärts. Drehsinn und Bewegungsrichtung sind gekoppelt.

Bei Elektronen kommen beide Möglichkeiten etwa gleich häufig vor. Beim Neutrino offenbar nicht.

Goldhabers Meisterstück

1958 bestimmten Maurice Goldhaber, Lee Grodzins und Andrew Sunyar am Brookhaven National Laboratory die Helizität des Neutrinos. Ihr Aufbau gilt bis heute als eines der elegantesten Experimente der Kernphysik.

Das Neutrino selbst ist nicht messbar. Also maßen sie etwas anderes.

Ein angeregter Europium-152-Kern fängt ein Elektron aus der innersten Schale ein. Dabei entstehen nur zwei Dinge: ein Neutrino und ein angeregter Samariumkern, der kurz darauf ein Gammaquant abgibt. Weil sonst nichts entsteht, sind Drehimpuls und Impuls streng zwischen beiden aufgeteilt.

Fliegt das Gammaquant in die eine Richtung, muss das Neutrino in die entgegengesetzte gegangen sein. Und die Drehimpulsbilanz koppelt die Polarisation des Lichts an die Helizität des Neutrinos.

Der zweite Kunstgriff war die Auswahl. Nur Gammaquanten, die genau entgegen dem Neutrino fliegen, tragen die volle Energie und lassen sich in Samarium resonant streuen. Damit ließ sich aus allen abgestrahlten Quanten genau die gesuchte Sorte herausfiltern.

Die Polarisation wurde in magnetisiertem Eisen analysiert, wo Licht je nach Drehsinn unterschiedlich stark absorbiert wird.

Ergebnis: Neutrinos sind linkshändig. Der ganze Versuch kam mit einer Apparatur von wenigen Metern aus.

Der Zusammenhang mit der Parität

Diese Einseitigkeit ist eine Eigenschaft der Natur, kein Zufall des Aufbaus.

Zwei Jahre zuvor hatte Chien-Shiung Wu gezeigt, dass die schwache Wechselwirkung zwischen links und rechts unterscheidet. Sie koppelt nur an linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen.

Da Neutrinos allein über diese Kraft in Erscheinung treten, kommen rechtshändige Neutrinos in der beobachtbaren Welt schlicht nicht vor. Sie wären, selbst wenn es sie gäbe, für jeden Detektor unsichtbar.

Warum Masse alles verkompliziert

Solange man Neutrinos für masselos hielt, war das Bild geschlossen. Ein masseloses Teilchen bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit; seine Händigkeit ist für jeden Beobachter dieselbe, weil niemand es überholen kann.

Bei einem Teilchen mit Masse ist das anders. Es ist langsamer als das Licht, und ein hinreichend schneller Beobachter könnte es überholen. Von vorn betrachtet kehrt sich die Flugrichtung um, der Spin aber nicht — aus linkshändig wird rechtshändig.

Die Neutrinooszillation belegt die Masse. Also muss es rechtshändige Zustände geben. Nur wechselwirken sie offensichtlich kaum.

Die beiden Auswege

Dirac. Die rechtshändigen Neutrinos sind eigene Teilchen, die an keiner bekannten Kraft teilnehmen. Sind sie sehr schwer, führt der Weg zum Seesaw-Mechanismus.

Majorana. Neutrino und Antineutrino sind dasselbe Teilchen in zwei Erscheinungsformen — so schlug es Ettore Majorana 1937 vor.

Entscheiden könnte allein der neutrinolose Doppelbetazerfall. Gefunden ist er nicht.

Quellen

M. Goldhaber, L. Grodzins, A. W. Sunyar: Helicity of Neutrinos, Physical Review 109, 1015 (1958).