Jede einzelne Sekunde eines jeden Tages werden Sie von Billionen auf Billionen subatomarer Partikel bombardiert, die aus den Tiefen des Weltraums herabduschen. Sie blasen mit der Kraft eines kosmischen Hurrikans durch dich und schießen fast mit Lichtgeschwindigkeit ein. Sie kommen von überall her, zu jeder Tages- und Nachtzeit. Sie durchdringen das Erdmagnetfeld und unsere Schutzatmosphäre wie so viel Butter.
Und doch sind die Haare auf Ihrem Kopf nicht einmal gekräuselt.
Was ist los?
Kleine neutrale
Diese winzigen kleinen Kugeln werden Neutrinos genannt, ein Begriff, der 1934 vom brillanten Physiker Enrico Fermi geprägt wurde. Das Wort ist vage italienisch für "kleine neutrale", und ihre Existenz wurde angenommen, um eine sehr merkwürdige Kernreaktion zu erklären.
Manchmal fühlen sich Elemente ein wenig… instabil an. Und wenn sie zu lange allein gelassen werden, fallen sie auseinander und verwandeln sich in etwas anderes, etwas Leichteres im Periodensystem. Außerdem würde ein kleines Elektron herausspringen. In den 1920er Jahren fanden sorgfältige und detaillierte Beobachtungen dieser Zerfälle winzige, schwankende Diskrepanzen. Die Gesamtenergie zu Beginn des Prozesses war ein kleines bisschen größer als die austretende Energie. Die Mathematik stimmte nicht. Seltsam.
Einige Physiker haben also ein brandneues Teilchen aus ganzem Stoff zusammengestellt. Etwas, um die fehlende Energie wegzutragen. Etwas Kleines, etwas Leichtes, etwas ohne Ladung. Etwas, das unbemerkt durch ihre Detektoren rutschen könnte.
Ein wenig neutral. Ein Neutrino.
Es dauerte noch ein paar Jahrzehnte, um ihre Existenz zu bestätigen - so rutschig und listig und hinterhältig sind sie. 1956 schlossen sich Neutrinos der wachsenden Familie bekannter, gemessener und bestätigter Partikel an.
Und dann wurde es komisch.
Lieblingsgeschmack
Das Problem begann sich mit der Entdeckung des Myons zu brauen, die zufällig ungefähr zur gleichen Zeit auftrat, als die Neutrino-Idee an Boden gewann: in den 1930er Jahren. Das Myon ist fast genau wie ein Elektron. Gleiche Gebühr. Gleicher Spin. Aber es ist in einer entscheidenden Hinsicht anders: Es ist schwerer, über 200-mal so massereich wie sein Geschwister, das Elektron.
Myonen nehmen an ihren eigenen Reaktionen teil, halten aber nicht lange an. Aufgrund ihrer beeindruckenden Masse sind sie sehr instabil und zerfallen schnell in Schauer kleinerer Teile ("schnell" bedeutet hier innerhalb von ein oder zwei Mikrosekunden).
Das ist alles schön und gut. Warum spielen Myonen in der Neutrino-Geschichte eine Rolle?
Die Physiker stellten fest, dass bei Zerfallsreaktionen, die auf die Existenz des Neutrinos hindeuteten, immer ein Elektron heraussprang und niemals ein Myon. Bei anderen Reaktionen würden Myonen herausspringen und keine Elektronen. Um diese Ergebnisse zu erklären, schlussfolgerten sie, dass Neutrinos bei diesen Zerfallsreaktionen (und nicht bei jeder anderen Art von Neutrino) immer mit Elektronen übereinstimmten, während sich das Myon mit einem noch unentdeckten Neutrino-Typ paaren muss… Immerhin das Elektron -freundliches Neutrino würde die Beobachtungen der Myonenereignisse nicht erklären können.
Und so ging die Jagd weiter. Und weiter. Und weiter. Erst 1962 bekamen die Physiker endlich eine Sperre für die zweite Art von Neutrino. Es wurde ursprünglich als "Neutretto" bezeichnet, aber rationalere Köpfe setzten sich mit dem Schema durch, es das Myon-Neutrino zu nennen, da es sich immer in Reaktionen mit dem Myon paarte.
Der Weg des Tao
Okay, also zwei bestätigte Neutrinos. Hatte die Natur mehr für uns auf Lager? 1975 durchsuchten Forscher des Stanford Linear Accelerator Center mutig Berge monotoner Daten, um die Existenz eines noch schwereren Geschwisters für das flinke Elektron und das kräftige Myon aufzudecken: das gewaltige Tau, das mit einer satten 3.500-fachen Masse des Elektrons eintaktet . Das ist ein großes Teilchen!
So wurde sofort die Frage: Wenn es eine Familie von drei Teilchen gibt, das Elektron, das Myon und das Tau ... könnte es ein drittes Neutrino geben, das sich mit dieser neu entdeckten Kreatur paart?
Vielleicht, vielleicht nicht. Vielleicht gibt es nur die beiden Neutrinos. Vielleicht gibt es vier. Vielleicht 17. Die Natur hat unsere Erwartungen vorher nicht genau erfüllt, also kein Grund, jetzt anzufangen.
Über die Jahrzehnte hinweg übersprangen sich viele Physiker vieler grausamer Details und überzeugten sich anhand verschiedener Experimente und Beobachtungen, dass ein drittes Neutrino existieren sollte. Aber erst am Ende des Jahrtausends im Jahr 2000 wurde endlich ein speziell entwickeltes Experiment bei Fermilab (humorvoll als DONUT-Experiment zur direkten Beobachtung des NU Tau bezeichnet, und nein, das mache ich mir nicht ausgedacht) genug bestätigte Sichtungen, um zu Recht eine Entdeckung zu fordern.
Den Geistern nachjagen
Warum interessieren uns Neutrinos so sehr? Warum jagen wir sie seit über 70 Jahren, von vor dem Zweiten Weltkrieg bis in die Neuzeit? Warum waren Generationen von Wissenschaftlern von diesen kleinen, neutralen so fasziniert?
Der Grund ist, dass Neutrinos weiterhin außerhalb unserer Erwartungen leben. Wir waren uns lange nicht einmal sicher, ob es sie gab. Wir waren lange Zeit davon überzeugt, dass sie völlig masselos waren, bis Experimente ärgerlicherweise herausfanden, dass sie Masse haben müssen. Genau "wie viel" bleibt ein modernes Problem. Und Neutrinos haben die nervige Angewohnheit, ihren Charakter auf Reisen zu ändern. Das ist richtig, wenn ein Neutrino im Flug reist, kann es die Masken zwischen den drei Geschmacksrichtungen wechseln.
Es könnte sogar noch ein zusätzliches Neutrino da draußen geben, das an keinen üblichen Wechselwirkungen teilnimmt - etwas, das als steriles Neutrino bekannt ist und nach dem Physiker hungrig suchen.
Mit anderen Worten, Neutrinos fordern ständig alles heraus, was wir über Physik wissen. Und wenn es eine Sache gibt, die wir sowohl in der Vergangenheit als auch in der Zukunft brauchen, ist es eine gute Herausforderung.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von Dein Platz im Universum.
