Woher beziehen Neutrinos ihre Masse? Es ist ein Rätsel, eines der verwirrendsten im Standardmodell der Teilchenphysik. Aber ein Team von Physikern glaubt zu wissen, wie man es löst.
Hier ist das Problem: Neutrinos sind komisch. Ultra-schwache Partikel, die meisten von ihnen sind so energiearm und unwesentlich, dass sie unseren gesamten Planeten passieren, ohne anzuhalten. Wissenschaftler dachten jahrzehntelang, dass sie überhaupt keine Masse hätten. In der Originalversion des Standardmodells, das die Teilchenphysik beschreibt, war das Neutrino völlig schwerelos. Vor ungefähr zwei Jahrzehnten hat sich das geändert. Physiker wissen jetzt, dass Neutrinos Masse haben, wenn auch in winzigen Mengen. Und sie sind sich noch nicht sicher, warum genau diese Masse ist.
Wir können das Rätsel jedoch lösen, argumentiert ein neues Papier, das am 31. Januar in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde. Bei genügend Zeit und Daten sollten die Neutrinos mit der höchsten Energie, die wir bereits nachweisen können, dazu beitragen, die Geheimnisse ihrer Masse zu entschlüsseln.
Erkennung von Neutrino-Resonanzen
Neutrinos haben unterschiedliche Energiemengen: Zwei ansonsten identische Partikel verhalten sich je nach Energiemenge sehr unterschiedlich.
Die meisten Neutrinos, die wir nachweisen können, stammen von unserer Sonne und einer Handvoll superheller Energiequellen auf der Erde (wie Kernreaktoren) und sind relativ energiearm. Und energiearme Neutrinos rutschen leicht durch Materiestücke, ohne gegen irgendetwas zu stoßen. Unser Planet wird aber auch von viel energiereicheren Neutrinos bombardiert. Und es ist viel wahrscheinlicher, dass diese gegen andere Partikel stoßen, wie ein Sattelzug, der auf der Überholspur die Autobahn entlang schreit.
Bereits 2012 wurde in der Antarktis ein Partikeldetektor in Betrieb genommen, mit dem diese energiereicheren Neutrinos nachgewiesen werden können. Der Detektor namens IceCube kann sie jedoch nicht direkt erfassen. Stattdessen wird nach den Folgen energiereicher Neutrino-Kollisionen mit Wassermolekülen im umgebenden Eis gesucht - Kollisionen, die Ausbrüche anderer Arten von Partikeln erzeugen, die IceCube erkennen kann. Normalerweise sind diese Ausbrüche unordentlich und produzieren eine Vielzahl von Partikeln. Aber manchmal sind sie ungewöhnlich sauber - das Ergebnis eines Prozesses namens Resonanz, sagte der Co-Autor der Studie, Bhupal Dev, ein Physiker an der Washington University in St. Louis.
Wenn ein Neutrino gegen ein anderes Teilchen, insbesondere ein Elektron, knallt, durchläuft es manchmal einen Prozess, der als Glashow-Resonanz bekannt ist, sagte Dev gegenüber Live Science. Diese Resonanz zerdrückt die beiden Teilchen und verwandelt sie in etwas Neues: ein W-Boson. Die 1959 erstmals vorgeschlagene Glashow-Resonanz erfordert sehr hohe Energien, und ein einziges Beispiel könnte laut einem Vortrag von 2018 auf einer Neutrinos-Konferenz 2018 in IceCube aufgetaucht sein.
Laut Dev und seinen Co-Autoren kann es jedoch auch andere Arten von Resonanzen geben. Eine der populäreren Theorien darüber, wie Neutrinos ihre Masse erhalten, ist als "Zee-Modell" bekannt. Und unter dem Zee-Modell würde es eine andere Art von Resonanz wie Glashow geben, die ein weiteres neues Teilchen erzeugt, das als "Zee-Burst" bekannt ist, schrieben die Forscher in der neuen Studie. Und diese Resonanz würde innerhalb der Fähigkeit von IceCube liegen, zu erkennen.
Wenn ein Zee-Burst entdeckt würde, würde dies zu einer radikalen Aktualisierung des Standardmodells führen und die Sichtweise der Physiker auf Neutrinos völlig verändern, sagte Dev.
Das Zee-Modell würde von einer Theorie zu einer festen Wissenschaft übergehen, und das bestehende Modell der Neutrinos würde verworfen.
IceCube reagiert jedoch nur auf bestimmte Bereiche von Neutrinoenergien, und die Bedingungen, die Zee-Bursts erzeugen würden, liegen an den Außenkanten dieses Bereichs. Zu gegebener Zeit wird ein solcher Vorfall wahrscheinlich irgendwann in den nächsten 30 Jahren von IceCube entdeckt.
Glücklicherweise kommen Updates für IceCube, stellten die Forscher fest. Sobald der Detektor auf den viel größeren und empfindlicheren IceCube-Gen 2 aufgerüstet wurde (es ist nicht genau klar, wann dies geschehen wird), sollte das empfindlichere Gerät in der Lage sein, innerhalb von nur drei Jahren einen Zee-Burst aufzunehmen - wenn es sich tatsächlich um Zee-Bursts handelt dort draußen.
Und wenn Zee-Bursts nicht da draußen sind und das Zee-Modell falsch ist, wird das Geheimnis der Neutrino-Masse nur tiefer.
