Neutrinos

Neutrinos im Standardmodell
Neutrinos gehören aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften zu den interessantesten Elementarteilchen des Standardmodells der Teilchenphysik. Die Neutrino (sowie auch die Antineutrinos) treten in 3 Generationen (engl.: flavor) auf. Entsprechend ihrer der geladenen Leptonen werden sie als Elektron-, Myon, und Tau-Neutrino bezeichnet. Im Gegensatz zu diesen besitzen sie allerdings keine elektrische Ladung (und keine starke, im Gegensatz zu den Quarks) und ihre Ruhemasse ist null. Sie unterliegen einzig der schwachen Wechselwirkung, die über die schweren Z0 und W±-Bosonen übertragen wird. Entsprechend selten wechselwirken Neutrinos mit Materie und werden deshalb oft als „Geisterteilchen“ bezeichnet. Der Nachweis von Neutrinos erfordert daher massereiche Experimente. Auf der anderen Seite ist die riesige Wechselwirkungslänge von Neutrinos perfekt geeignet, um astrophysikalische Objekte zu beobachten, da die Teilchen auf dem Weg zur Erde nicht abgelenkt oder gar absorbiert werden. Darüber hinaus ermöglichen es Neutrinos sogar, ins Innere der Sonne, wo die Fusionsprozesse stattfinden, oder sogar Supernova-Explosionen zu schauen.

Neutrino-Oszillationen
In den 1970er Jahren lieferten Neutrinos erste Hinweise auf Physik jenseits des etablierten Standardmodells: Eine Messung der solaren Neutrinos im Homestake-Experiment von R. Davis zeigte ein deutliches Defizit in der gemessenen Rate. Dieses Verschwinden der in der Sonne produzierten Elektronneutrinos lässt sich mit Hilfe von Neutrino-Oszillationen erklären: In der Sonne werden nur Elektronneutrinos erzeugt, die sich aufgrund der Oszillationen auf dem Weg zur Erde in die anderen Flavor (Myon/Tau-Neutrinos) umwandeln können. Das Homestake-Experiment konnte Neutrinos dieser Flavor jedoch nicht nachweisen. Die Beobachtung der Oszillationen machte eine Erweiterung des ursprünglichen Standardmodells notwendig, da ihr Auftreten eine von Null verschiedene Neutrinomasse voraussetzt.

Um das Jahr 2000 wurde das Auftreten von Flavor-Oszillationen in den Experimenten Super-Kamiokande, SNO und KamLAND unabhängig bestätigt. Derzeit werden in Präzisionsmessung die Parameter bestimmt, die diesen Oszillationen zu Grunde liegen - den Mischungswinkel θij bestimmt die Amplitude, Massenquadratdifferenzen ∆mij2 (i,j =1,2,3) die Oszillationslänge. So wurde erst 2012 der letzte fehlende Mischungwinkel θ13 von den Experimenten Daya Bay, Double Chooz und Reno bestimmt.

Dennoch verbleiben viele offene Fragen:

  • Was ist die Massenhierarchie der Neutrinos, d.h. ist die Masse des dritten Masseneigenzustands größer (normale Hierarchie) oder kleiner (invertierte Hierarchie) als die des ersten und zweiten Zustands?
  • Gibt es Unterschiede in den Oszillationswahrscheinlichkeiten von Neutrinos und Antineutrinos?
  • Ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen?
  • Besitzt das Neutrino ein magnetisches Moment?
  • Gibt es neben den drei bekannten aktiven noch weitere sterile Neutrinoflavor?

Abbildung 3: Normale und invertierte Hierarchie