Neutrinos sind schwer fassbare subatomare Partikel, die in einer Vielzahl von Kernprozessen erzeugt werden. Ihr Name, der "kleiner neutraler" bedeutet, bezieht sich auf die Tatsache, dass sie keine elektrische Ladung tragen. Von den vier fundamentalen Kräften im Universum interagieren Neutrinos nur mit der Zwei-Schwerkraft und der schwachen Kraft, die für den radioaktiven Zerfall von Atomen verantwortlich ist. Da sie fast keine Masse haben, rasen sie fast mit Lichtgeschwindigkeit durch den Kosmos.
Unzählige Neutrinos entstanden Sekundenbruchteile nach dem Urknall. Und es entstehen ständig neue Neutrinos: in den Kernherzen von Sternen, in Teilchenbeschleunigern und Atomreaktoren auf der Erde, während des explosiven Zusammenbruchs von Supernovae und wenn radioaktive Elemente zerfallen. Laut dem Physiker Karsten Heeger von der Yale University in New Haven, Connecticut, gibt es im Universum durchschnittlich 1 Milliarde Mal mehr Neutrinos als Protonen.
Trotz ihrer Allgegenwart bleiben Neutrinos für Physiker weitgehend ein Rätsel, da die Teilchen so schwer zu fangen sind. Neutrinos strömen durch die meisten Materien, als wären sie Lichtstrahlen, die durch ein transparentes Fenster gehen und kaum mit allem anderen interagieren, was existiert. In diesem Moment passieren ungefähr 100 Milliarden Neutrinos jeden Quadratzentimeter Ihres Körpers, obwohl Sie nichts fühlen werden.
Unsichtbare Partikel entdecken
Neutrinos wurden zuerst als Antwort auf ein wissenschaftliches Rätsel gesetzt. Im späten 19. Jahrhundert rätselten die Forscher über ein Phänomen, das als Beta-Zerfall bekannt ist und bei dem der Kern in einem Atom spontan ein Elektron emittiert. Der Beta-Zerfall schien gegen zwei grundlegende physikalische Gesetze zu verstoßen: Energieerhaltung und Impulserhaltung. Beim Beta-Zerfall schien die endgültige Konfiguration der Teilchen etwas zu wenig Energie zu haben, und das Proton stand still, anstatt in die entgegengesetzte Richtung des Elektrons geschlagen zu werden. Erst 1930 schlug der Physiker Wolfgang Pauli die Idee vor, dass ein zusätzliches Teilchen aus dem Kern fliegen und die fehlende Energie und den fehlenden Impuls mit sich bringen könnte.
"Ich habe eine schreckliche Sache getan. Ich habe ein Teilchen postuliert, das nicht nachgewiesen werden kann", sagte Pauli zu einem Freund und bezog sich auf die Tatsache, dass sein hypothetisches Neutrino so gespenstisch war, dass es kaum mit irgendetwas interagieren und wenig bis gar keine Masse haben würde .
Mehr als ein Vierteljahrhundert später bauten die Physiker Clyde Cowan und Frederick Reines einen Neutrino-Detektor und platzierten ihn außerhalb des Kernreaktors im Atomkraftwerk Savannah River in South Carolina. Ihr Experiment gelang es, einige der Hunderte von Billionen Neutrinos zu fangen, die aus dem Reaktor flogen, und Cowan und Reines schickten Pauli stolz ein Telegramm, um ihn über ihre Bestätigung zu informieren. Reines würde 1995 den Nobelpreis für Physik gewinnen - zu diesem Zeitpunkt war Cowan gestorben.
Seitdem haben sich Neutrinos den Erwartungen der Wissenschaftler immer wieder widersetzt.
Die Sonne produziert eine riesige Anzahl von Neutrinos, die die Erde bombardieren. Mitte des 20. Jahrhunderts bauten die Forscher Detektoren, um nach diesen Neutrinos zu suchen, aber ihre Experimente zeigten immer wieder eine Diskrepanz und entdeckten nur etwa ein Drittel der vorhergesagten Neutrinos. Entweder stimmte etwas mit den Sonnenmodellen der Astronomen nicht, oder es passierte etwas Seltsames.
Die Physiker erkannten schließlich, dass Neutrinos wahrscheinlich in drei verschiedenen Geschmacksrichtungen oder Typen erhältlich sind. Das gewöhnliche Neutrino wird als Elektronenneutrino bezeichnet, es gibt jedoch auch zwei andere Geschmacksrichtungen: ein Myonenneutrino und ein Tau-Neutrino. Während sie die Entfernung zwischen der Sonne und unserem Planeten durchlaufen, oszillieren Neutrinos zwischen diesen drei Typen, weshalb in diesen frühen Experimenten - die nur für die Suche nach einem Geschmack entwickelt wurden - immer noch zwei Drittel ihrer Gesamtzahl fehlten.
Aber nur Teilchen mit Masse können diese Schwingung erfahren, was früheren Vorstellungen widerspricht, dass Neutrinos masselos waren. Während Wissenschaftler die genauen Massen aller drei Neutrinos noch nicht kennen, haben Experimente festgestellt, dass die schwerste von ihnen mindestens 0,0000059-mal kleiner sein muss als die Masse des Elektrons.
Neue Regeln für Neutrinos?
Im Jahr 2011 sorgten Forscher des Oszillationsprojekts mit Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) in Italien für weltweite Sensation, als sie bekannt gaben, dass sie Neutrinos entdeckt hatten, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen - ein vermeintlich unmögliches Unternehmen. Obwohl in den Medien weit verbreitet, wurden die Ergebnisse von der wissenschaftlichen Gemeinschaft mit großer Skepsis aufgenommen. Weniger als ein Jahr später stellten die Physiker fest, dass eine fehlerhafte Verkabelung einen Befund imitiert hatte, der schneller als Licht war, und Neutrinos kehrten in das Reich der kosmisch gesetzestreuen Teilchen zurück.
Aber Wissenschaftler müssen noch viel über Neutrinos lernen. Kürzlich haben Forscher des Mini Booster Neutrino-Experiments (MiniBooNE) am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in der Nähe von Chicago überzeugende Beweise dafür geliefert, dass sie einen neuen Neutrino-Typ entdeckt haben, der als steriles Neutrino bezeichnet wird. Ein solcher Befund bestätigt eine frühere Anomalie, die am Neutrino-Detektor für Flüssigszintillatoren (LSND), einem Experiment im Los Alamos National Laboratory in New Mexico, beobachtet wurde. Sterile Neutrinos würden die gesamte bekannte Physik auf den Kopf stellen, da sie nicht in das sogenannte Standardmodell passen, ein Gerüst, das fast alle bekannten Teilchen und Kräfte außer der Schwerkraft erklärt.
Wenn die neuen Ergebnisse von MiniBooNE Bestand haben, "wäre das riesig; das geht über das Standardmodell hinaus; das würde neue Partikel erfordern ... und einen völlig neuen analytischen Rahmen", sagte die Partikelphysikerin Kate Scholberg von der Duke University gegenüber Live Science.
