Das Neutrino-Elektron

Ein Elektron, das seine elektrische Ladung verloren hat

Am einfachsten kann man sich ein Neutrino vorstellen, wenn man sich ein Elektron vorstellt, das seine elektrische Ladung verloren hat.
Deshalb werden die Neutrinos der Radioaktivität von den Physikern als Elektron-Neutrinos bezeichnet. Diese Bezeichnung erlaubt es, sie von zwei anderen Arten von Neutrinos zu unterscheiden, den Myon-Neutrinos und den Tau-Neutrinos.
Das Elektron-Neutrino ist zusammen mit dem Elektron einer der beiden Akteure der Beta-Radioaktivität, ein fast unsichtbarer Akteur, der extrem schwer nachzuweisen ist. Im häufigsten Fall der Beta-Minus-Radioaktivität tritt stattdessen nicht das Neutrino, sondern sein Antiteilchen, das Antineutrino-Elektron, auf. Das Antineutrino-Elektron ist der Partner des positiven Elektrons oder Positrons.

Quarks und Leptonen
Das Neutrino ist das vierte Mitglied einer Familie von vier Teilchen, die in unserer Welt eine fundamentale Rolle spielen. Die ersten beiden sind die Quarks, die „oberen“ und „unteren“ Bestandteile der Kernmaterie, der dritte ist das Elektron. Das Paar aus dem Elektron und dem Neutrino nennen die Physiker Leptonen. Quarks und Leptonen sind winzige Teilchen, die zu klein sind, um jemals in einem Mikroskop beobachtet zu werden.
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Das Elektron-Neutrino ist der Partner des Elektrons in der Familie der 4 Grundbausteine der Materie. Die beiden anderen Mitglieder dieser Familie sind die sogenannten Up- und Down-Quarks, die elementaren Bestandteile von Protonen und Neutronen und damit die eigentlichen Bestandteile des Atomkerns. Elektron, Elektron-Neutrino, up- und down-Quark bilden in den Augen der Physiker die erste Generation der Elementarteilchen.
Was die Quarks vom Elektron und seinem Neutrino unterscheidet, ist, dass erstere empfindlich auf die sehr starken Wechselwirkungen reagieren, die Atomkerne zusammenhalten. Daher sind Quarks schwer zu beobachten, weil sie in der Kernmaterie gefangen bleiben.
Elektronen und Neutrinos sind nicht empfindlich für die starke Wechselwirkung. Sie machen sich auf, um die Welt zu entdecken! Aber Neutrinos sind darüber hinaus elektrisch neutral: Sie haben nicht die elektrische Ladung, die es den Elektronen ermöglicht, die elektronische Wolke zu bilden, die den Atomkern umgibt. Sie sind nur empfindlich gegenüber den Kräften, die insbesondere für die Beta-Radioaktivität verantwortlich sind und die die Physiker als schwache Wechselwirkung bezeichnen.
Es wurde lange Zeit angenommen, dass Neutrinos keine Masse haben (wie Photonen). Neuere Experimente haben gezeigt, dass sie eine extrem kleine Masse haben. Um eine Vorstellung davon zu geben, ist die Masse des Neutrino-Elektrons viel kleiner als ein Millionstel der Masse des Elektrons, eines bereits sehr leichten Teilchens.
Praktisch masselose Teilchen, reisen Neutrinos mit Lichtgeschwindigkeit. So wurde 1987 zusammen mit einem winzigen Lichtblitz, der von einer fernen Supernova-Explosion stammte, die Ankunft eines Hauchs von Neutrinos beobachtet … nach einer Reise von 180.000 Lichtjahren !

Links- und rechtshändige Neutrinos
Neutrinos haben wie Elektronen und Quarks zwei mögliche Zustände der Rotation oder des Spins. Nur einer der beiden Zustände wird erzeugt: die Neutrinos, die eine „linkshändige Helizität“ haben, wie auf der Abbildung in Bezug auf die Bewegungsrichtung angegeben. Linkshändige Neutrinos werden nicht beobachtet: Sie werden nicht erzeugt und wechselwirken nicht. In der Welt der Antimaterie ist das Gegenteil der Fall: nur rechtshändige Antineutrinos werden produziert und beobachtet. Diese bemerkenswerte Eigenschaft ist ein Merkmal der schwachen Wechselwirkung.
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Wie die Elektronen haben auch Neutrinos zwei mögliche Rotationszustände (oder Spin), die als links- und rechtshändige Helizität bezeichnet werden, wenn die Rotationsachse parallel zur Bewegungsrichtung gewählt wird. Neutrinos wechselwirken jedoch nur über die schwachen Kräfte, wodurch die beiden Helizitätszustände unterschieden werden (ein Phänomen, das Physiker „Paritätsverletzung“ nennen). Es werden nur linkshändige Neutrinos erzeugt und beobachtet. Rechtshändige Neutrinos wechselwirken nicht.
Neutrinos, die nur über diese schwachen Kräfte mit Materie wechselwirken, haben eine extrem geringe Wahrscheinlichkeit (genannt Wirkungsquerschnitt) zu wechselwirken. Um eine Vorstellung von dieser Kleinheit zu geben, maßen Reines und Cowan in ihrem Experiment, das zur Entdeckung des Neutrinos im Jahr 1956 führte, einen Wirkungsquerschnitt von 0,063 Milliardstel eines Milliardstel Scheffels.
Der Scheffel ist die Einheit, die von Physikern zur Messung von Wirkungsquerschnitten verwendet wird. Zum Beispiel liegt der Wirkungsquerschnitt eines Neutroneneinfangs durch einen Uran-238-Kern in der Größenordnung von einigen Scheunen. Die Neutrinoenergien in radioaktiven Zerfällen liegen im Allgemeinen unter 1 MeV. Selbst der Wirkungsquerschnitt eines 1 MeV-Neutrinos, der weit über dem von Reines und Cowan gemessenen liegt, ist extrem niedrig. Dies erklärt, warum Neutrinos aus radioaktiven Zerfällen, die in der Sonne stattfinden, in der Lage sind, die Erde zu durchqueren.

Eine extrem niedrige Wechselwirkungswahrscheinlichkeit
Die Neutrino-Wechselwirkungswahrscheinlichkeit (Wirkungsquerschnitt) mit einem Proton oder Neutron steigt mit der Energie. Die in der Abbildung gezeigten Daten stellen diesen Anstieg der Wechselwirkungswahrscheinlichkeit mit der Energie dar. Für die durch Radioaktivität erzeugten Neutrinos ist die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit extrem gering. Aufgrund ihrer hohen Energie lassen sich Neutrinos in den Strahlen großer Teilchenbeschleuniger viel leichter nachweisen.
Bildnachweis: J.W. Rohlf, abgerufen von http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Physiker haben zwei weitere Arten von Neutrinos gefunden, das Myon-Neutrino und das Tau-Neutrino. Das Myon-Neutrino ist der Begleiter des Myons, eines schweren Elektrons, das in der kosmischen Strahlung beobachtet wird. Das Tau-Neutrino ist der Begleiter des Tau, eines superschweren Elektrons (es wiegt doppelt so viel wie das Proton), das 1975 von dem amerikanischen Physiker Martin Perl entdeckt wurde.
Ein letzter Aspekt dieser faszinierenden Teilchen! Unter dem Einfluss der schwachen Wechselwirkung können sich Neutrinos in andere Arten verwandeln. Physiker sagen, dass sie „oszillieren“. So kann ein in der Sonne geborenes Neutrino-Elektron-Neutrino bei seiner Ankunft auf der Erde als Myon-Neutrino nachgewiesen werden. Ein beobachteter Mangel an Elektron-Neutrino aus der Sonne ist einer der Beweise für Neutrino-Oszillationen.
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