Neutrinos sind vielleicht die rätselhaftesten der bekannten Partikel. Sie missachten einfach alle bekannten Regeln, wie sich Partikel verhalten sollen. Sie verspotten unsere ausgefallenen Detektoren. Wie kosmische Katzen ziehen sie ohne Sorge oder Fürsorge durch das Universum und interagieren gelegentlich mit dem Rest von uns, aber wirklich nur, wenn sie Lust dazu haben, was ehrlich gesagt nicht allzu oft der Fall ist.
Am frustrierendsten ist, dass sie Masken tragen und nie zweimal gleich aussehen.
Aber ein neues Experiment hat uns vielleicht nur einen Schritt näher gebracht, um diese Masken abzureißen. Die Aufdeckung der wahren Neutrino-Identität könnte dazu beitragen, langjährige Fragen zu beantworten, beispielsweise, ob Neutrinos ihre eigenen Antimaterie-Partner sind, und sogar dazu beitragen, die Naturkräfte zu einer zusammenhängenden Theorie zu vereinen.
Ein massives Problem
Neutrinos sind komisch. Es gibt drei Arten: das Elektronenneutrino, das Myonenneutrino und das Tau-Neutrino. (Es gibt auch die Antiteilchenversionen dieser drei, aber das ist kein großer Teil dieser Geschichte.) Sie werden so genannt, weil diese drei Arten mit drei verschiedenen Arten von Partikeln feiern können. Elektronenneutrinos verbinden Wechselwirkungen mit Elektronen. Myonenneutrinos werden mit Myonen gepaart. Es werden keine Punkte vergeben, um zu erraten, mit was das Tau-Neutrino interagiert.
Bisher ist das überhaupt nicht komisch. Hier kommt der seltsame Teil.
Für Partikel, die sind nicht Neutrinos - wie Elektronen, Myonen und Tau-Teilchen - sehen Sie, was Sie bekommen. Diese Teilchen sind bis auf ihre Masse alle genau gleich. Wenn Sie ein Teilchen mit der Masse eines Elektrons erkennen, verhält es sich genau so, wie sich ein Elektron verhalten sollte, und das gilt auch für das Myon und das Tau. Wenn Sie ein Elektron einmal entdeckt haben, wird es immer ein Elektron sein. Nicht mehr, nicht weniger. Gleiches gilt für das Myon und das Tau.
Gleiches gilt jedoch nicht für ihre Cousins, die Elektronen-, Myon- und Tau-Neutrinos.
Was wir sagen, das "Tau-Neutrino", ist nicht immer das Tau-Neutrino. Es kann seine Identität ändern. Es kann mitten im Flug ein Elektronen- oder Myonenneutrino werden.
Dieses seltsame Phänomen, das im Grunde niemand erwartet hatte, nennt man Neutrinoschwingung. Dies bedeutet unter anderem, dass Sie ein Elektronenneutrino erzeugen und es als Geschenk an Ihren besten Freund senden können. Aber wenn sie es bekommen, können sie enttäuscht sein, stattdessen ein Tau-Neutrino zu finden.
Nachwippen
Aus technischen Gründen funktioniert die Neutrinoschwingung nur, wenn drei Neutrinos mit drei verschiedenen Massen vorhanden sind. Aber die Neutrinos, die schwingen, sind nicht die Neutrinos mit Elektronen-, Myonen- und Tau-Geschmack.
Stattdessen gibt es drei "echte" Neutrinos mit jeweils unterschiedlichen, aber unbekannten Massen. Eine eindeutige Mischung dieser echten, fundamentalen Neutrinos erzeugt jeden der Neutrino-Aromen, die wir in unseren Labors nachweisen (Elektron, Myon, Tau). Die im Labor gemessene Masse ist also eine Mischung dieser wahren Neutrinomassen. In der Zwischenzeit bestimmt die Masse jedes echten Neutrinos in der Mischung, wie oft es sich in die verschiedenen Geschmacksrichtungen verwandelt.
Die Aufgabe der Physiker besteht nun darin, alle Beziehungen zu entwirren: Was sind die Massen dieser wahren Neutrinos und wie mischen sie sich, um die drei Geschmacksrichtungen herzustellen?
Die Physiker sind also auf der Suche nach den Massen der "wahren" Neutrinos, indem sie sich ansehen, wann und wie oft sie den Geschmack wechseln. Auch hier ist der Fachjargon der Physik sehr wenig hilfreich, da die Namen dieser drei Neutrinos einfach m1, m2 und m3 sind.
Eine Vielzahl von sorgfältigen Experimenten hat Wissenschaftlern zumindest indirekt einige Dinge über die Massen der wahren Neutrinos beigebracht. Zum Beispiel kennen wir einige der Beziehungen zwischen dem Quadrat der Massen. Aber wir wissen nicht genau, wie viel eines der echten Neutrinos wiegt, und wir wissen nicht, welche schwerer sind.
Es könnte sein, dass m3 das schwerste ist und m2 und m1 bei weitem überwiegt. Dies wird als "normale Ordnung" bezeichnet, weil es ziemlich normal erscheint - und es sind die Ordnungsphysiker, die vor Jahrzehnten im Wesentlichen vermutet wurden. Nach unserem derzeitigen Kenntnisstand könnte es aber auch sein, dass m2 das schwerste Neutrino ist, wobei m1 nicht weit dahinter liegt und m3 im Vergleich mickrig ist. Dieses Szenario wird als "umgekehrte Reihenfolge" bezeichnet, da wir anfangs die falsche Reihenfolge erraten haben.
Natürlich gibt es Lager von Theoretikern, die sich danach sehnen, dass jedes dieser Szenarien wahr ist. Theorien, die versuchen, alle (oder zumindest die meisten) Naturkräfte unter einem Dach zu vereinen, erfordern normalerweise eine normale Neutrino-Massenordnung. Andererseits ist eine umgekehrte Massenordnung erforderlich, damit das Neutrino sein eigener Antiteilchen-Zwilling ist. Und wenn das wahr wäre, könnte es helfen zu erklären, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.
DeepCore Training
Was ist das: normal oder invertiert? Dies ist eine der größten Fragen, die sich aus den letzten Jahrzehnten der Neutrinoforschung ergeben haben, und genau diese Frage wurde vom massiven IceCube Neutrino Observatory beantwortet. Das Observatorium befindet sich am Südpol und besteht aus Dutzenden von Detektorketten, die in der Eisdecke der Antarktis versenkt sind. Ein zentraler "DeepCore" besteht aus acht Ketten effizienterer Detektoren, die Wechselwirkungen mit niedrigerer Energie erkennen können.
Neutrinos sprechen kaum mit normaler Materie, so dass sie perfekt in der Lage sind, direkt durch den Körper der Erde selbst zu spritzen. Und dabei verwandeln sie sich in die verschiedenen Geschmacksrichtungen. Hin und wieder treffen sie auf ein Molekül in der antarktischen Eisdecke in der Nähe des IceCube-Detektors und lösen einen kaskadierenden Schauer von Partikeln aus, die ein überraschend blaues Licht namens Cherenkov-Strahlung emittieren. Es ist dieses Licht, das die IceCube-Strings erkennen.
In einem kürzlich im Pre-Print-Journal arXiv veröffentlichten Artikel verwendeten IceCube-Wissenschaftler drei Jahre DeepCore-Daten, um zu messen, wie viele Neutrinos jeder Art die Erde passiert haben. Der Fortschritt ist natürlich langsam, weil Neutrinos so schwer zu fangen sind. Aber in dieser Arbeit. Die Wissenschaftler berichten von einer leichten Präferenz in den Daten für die normale Bestellung (was bedeuten würde, dass wir vor Jahrzehnten richtig geraten haben). Sie haben jedoch noch nichts zu schlüssiges gefunden.
Ist das alles was wir bekommen? Sicherlich nicht. IceCube bereitet sich bald auf ein größeres Upgrade vor, und neue Experimente wie das Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) und das Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) bereiten sich ebenfalls auf diese zentrale Frage vor. Wer hätte gedacht, dass eine so einfache Frage nach der Ordnung der Neutrinomassen so viel über die Funktionsweise des Universums aussagen würde? Es ist schade, dass es auch keine einfache Frage ist.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von "Fragen Sie einen Raumfahrer" und "Weltraumradio, "und Autor von"Dein Platz im Universum."
