Neutrino

Das Neutrino ist ein Elementarteilchen ohne elektrische Ladung und mit verschwindend geringer Masse. Es nimmt nur an der schwachen Wechselwirkung teil und durchdringt Materie deshalb fast ungehindert.

Neutrinos sind nach den Lichtteilchen die häufigsten Teilchen im Weltall. In jeder Sekunde durchqueren etwa 65 Milliarden von ihnen einen Quadratzentimeter Ihrer Haut, allein von der Sonne. Sie merken nichts davon — und genau das ist ihre wichtigste Eigenschaft.

Warum sie so schwer zu fassen sind

Ein Teilchen wird sichtbar, indem es mit etwas wechselwirkt. Dem Neutrino stehen dafür nur zwei der vier Grundkräfte offen, und die Schwerkraft ist bei dieser Masse ohne Bedeutung. Es bleibt die schwache Wechselwirkung.

Diese trägt ihren Namen zu Recht — allerdings aus einem anderen Grund, als man vermuten würde. Nicht ihre Stärke ist gering, sondern ihre Reichweite. Sie wird von den W- und Z-Bosonen vermittelt, und die sind etwa achtzigmal so schwer wie ein Proton. Ein so schweres Botenteilchen kommt kaum weit; die Reichweite liegt bei einem Tausendstel des Protonendurchmessers.

Zwei Teilchen müssen sich also außerordentlich nahe kommen, damit etwas geschieht. Der Wirkungsquerschnitt fällt entsprechend winzig aus: Ein Neutrino durchquert mühelos eine Bleiwand von der Dicke mehrerer Lichtjahre.

Hans Bethe und Rudolf Peierls schlossen daraus 1934, es gebe keinen praktisch gangbaren Weg, ein Neutrino je zu beobachten. Ihre Rechnung war richtig. Ihre Schlussfolgerung war es nicht.

Drei Arten

Neutrinos treten in drei Ausführungen auf, die man Flavours nennt. Jede gehört zu einem geladenen Lepton:

Dass es genau drei sind und nicht mehr, ist keine Annahme, sondern eine Messung. Aus der Zerfallsbreite des Z-Bosons am CERN folgte 1989 die Zahl drei — für alle Arten, die überhaupt an die schwache Wechselwirkung koppeln. Ob es daneben sterile Neutrinos gibt, bleibt offen.

Zu jeder Art gehört ein Antineutrino. Ob Neutrino und Antineutrino wirklich verschieden sind oder dasselbe Teilchen in zwei Erscheinungsformen, ist bis heute unbeantwortet.

Woher sie kommen

Aus der Sonne. Bei der Kernfusion in ihrem Inneren entstehen unablässig Sonnenneutrinos. Sie sind der weitaus größte Anteil dessen, was uns erreicht.

Aus der Lufthülle. Kosmische Strahlung erzeugt in etwa 15 Kilometern Höhe atmosphärische Neutrinos.

Aus Kernreaktoren. Ein Leistungsreaktor sendet rund 10²⁰ Antineutrinos je Sekunde aus.

Aus der Erde. Der radioaktive Zerfall im Gestein liefert Geoneutrinos — der einzige Weg, dem Planeten ins Innere zu sehen.

Aus dem Weltall. Supernovae wie SN 1987A und ferne Galaxienkerne senden Neutrinos aus, die IceCube und KM3NeT auffangen.

Aus dem Urknall. Ein kosmischer Neutrinohintergrund durchzieht das ganze Weltall. Nachgewiesen ist er bislang nicht — die Energien sind zu gering.

Die Entdeckungsgeschichte in Kürze

1930 schlug Wolfgang Pauli das Teilchen vor, um beim Betazerfall den Energieerhaltungssatz zu retten. Er nannte es selbst einen verzweifelten Ausweg und bezweifelte, dass man es je finden werde.

1934 goss Enrico Fermi die Idee in eine Theorie und gab dem Teilchen seinen Namen — italienisch für „kleines neutrales Ding".

1956 wiesen Frederick Reines und Clyde Cowan es an einem Kernreaktor nach, 26 Jahre nach Paulis Vorschlag.

1998 und 2002 zeigten Takaaki Kajita und Arthur B. McDonald, dass Neutrinos sich ineinander umwandeln. Damit war belegt, dass sie Masse besitzen.

Ausführlicher steht das auf der Zeitleiste.

Die Masse und was an ihr hängt

Die Neutrinooszillation beweist, dass Neutrinos Masse haben. Wie groß sie ist, weiß niemand genau. Das Experiment KATRIN hat sie auf unter ein halbes Elektronenvolt eingegrenzt — das Elektron wiegt mehr als das Millionenfache davon.

Diese Winzigkeit ist selbst ein Rätsel. Alle anderen Massen im Standardmodell liegen enger beieinander. Der Seesaw-Mechanismus erklärt sie als Schatten von etwas sehr Schwerem, das noch niemand gesehen hat.

Damit ist die Neutrinomasse bis heute der einzige gesicherte Laborbefund, der über das Standardmodell hinausweist. Das ist der Grund, warum weltweit Milliarden in immer größere Detektoren fließen.

Neutrinos als Energiequelle

Die Neutrino® Energy Group verfolgt den Ansatz, aus den ständig vorhandenen Umgebungsflüssen elektrischen Strom zu gewinnen — nicht aus Neutrinos allein, sondern aus mehreren Kanälen zugleich: Teilchenimpulsen, kosmischen Myonen, elektromagnetischen Schwankungen und thermischen Bewegungen. Der Ansatz heißt Neutrinovoltaik und beruht auf vielschichtigen Strukturen aus Graphen und Silizium.

Verwandte Begriffe

• Neutrinooszillation — die Umwandlung
• Wirkungsquerschnitt — warum der Nachweis so schwer ist
• Zeitleiste — die Entwicklung seit 1930
• Glossar — alle Seiten im Überblick

Quellen

• Particle Data Group: Review of Particle Physics, Abschnitt Neutrino Properties.
• Nobelstiftung: Nobelpreise für Physik 1995, 2002 und 2015.