Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine der erfolgreichsten wissenschaftlichen Theorien aller Zeiten. Die daraus abgeleiteten Vorhersagen sind mit einer extrem Genauigkeit immer und immer wieder bestätigt worden. Aber die Neutrinos machen Probleme! Diese überall vorhandenen aber kaum zu beobachtenden Elementarteilchen stellen weiterhin eines der großen Rätsel der Naturwissenschaft dar. Und jetzt ist die Sache noch ein Stück rätselhafter geworden. Denn ein schon so gut wie zu den Akten gelegtes Konzept ist plötzlich wieder zurück: die sterilen Neutrinos.

Dieses Ding bringt gerade die Physik durcheinander: Der MiniBooNE-Neutrinodetektor (Bild: Fermilab, gemeinfrei)

Dieses Ding bringt gerade die Physik durcheinander: Der MiniBooNE-Neutrinodetektor (Bild: Fermilab, gemeinfrei)

Neutrinos sind Elementarteilchen. Ihre Existenz wurde 1930 aus theoretischen Gründen vorhergesagt und es mehr als 20 Jahre gedauert, bis man sie auch im Experiment nachweisen konnte. Das liegt daran, dass Neutrinos so gut wie gar nicht mit dem Rest der Materie interagieren. Es gibt vier fundamentale Kräfte, die – soweit wir bis jetzt wissen – alles im Universum regeln. Das sind die Gravitation, der Elektromagnetismus und die starke und die schwache Kernkraft. Die beiden ersteren kennen wir aus dem Alltag, die beiden letzteren wirken nur zwischen den Bestandteilen der Atome selbst. Neutrinos spüren Gravitation, aber keinen Elektromagnetismus. Sie treten nur über die schwache Kernkraft mit anderen Teilchen in Kontakt. Da sie nicht elektromagnetisch wechselwirken, sind sie quasi unsichtbar. Und da die normale Materie elektromagnetisch wechselwirkt, können wir die Neutrinos auch nicht spüren. Die Atome der normalen Materie durchdringen einander deswegen nicht, weil die zwischen ihnen wirkende elektromagnetische Kraft dafür sorgt. Wenn ich zum Beispiel gerade mit meinen Fingern die Tasten auf meinem Computer spüre, dann spüre ich genaugenommen die elektromagnetische Abstoßung zwischen den Atomen meiner Fingerspitzen und denen der Computertastatur. Neutrinos spüren all das nicht. Für sie ist normale Materie so gut wie nicht vorhanden. Die Billionen Neutrinos die jede Sekunde von der Sonne erzeugt werden und auf die Erde treffen, sausen einfach durch sie hindurch, so als ob sie nicht da wäre. Nur ganz selten kommt es zu einer Interaktion über die schwache Kernkraft.

Das macht die Neutrinos auch so schwer zu messen. Aber man kann sie messen und das hat man in den letzten Jahrzehnten ausführlich getan. Deswegen weiß man heute auch, dass es drei verschiedene Arten von Neutrinos gibt, die sich ineinander umwandeln können. Die Geschichte dieser besonders für die Astronomie sehr interessanten Eigenschaften habe ich hier ausführlich erzählt. Die Umwandlung zwischen den drei verschiedenen Neutrinoarten war nicht nur eine wirklich wichtige Entdeckung. Es bedeutet vor allem auch, dass die Neutrinos eine Masse haben müssen.

Das erste Neutrino wurde in einer Blasenkammer entdeckt (Bild: Argonne National Laboratory)

Das erste Neutrino wurde in einer Blasenkammer entdeckt (Bild: Argonne National Laboratory)

Und das war ein Problem. Das ist ein Problem. Beziehungsweise ist es natürlich kein Problem. Die Natur ist so wie sie ist. Das Problem ist die Tatsache, das wir nicht wissen, warum Neutrinos eine Masse haben. Denn das Standardmodell der Teilchenphysik (das ich hier ausführlicher erklärt habe) kennt Neutrinos nur als masselose Teilchen. Laut einer der erfolgreichsten Theorien der Naturwissenschaft sollten Neutrinos keine Masse haben. Die Realität zeigt aber das Gegenteil. Und mit der Realität kann man nicht streiten. Die Masse der Neutrinos bedeutet, dass da irgendwo noch Physik existiert, die wir noch nicht entdeckt und verstanden haben. Das Standardmodell ist unvollständig.

Und die Neutrinos weiterhin rätselhaft. Zum Beispiel was die “Chiralität” angeht. Die Chiralität ist eine dieser quantenmechanischen Eigenschaften, die so klingen wie etwas das man sich vorstellen kann, aber trotzdem anschaulich nicht vorstellbar sind. In der Chemie beschreibt Chiralität die “Händigkeit” von Molekülen; es gibt “rechtshändige” und “linkshändige” Moleküle wobei das eine das räumliche Spiegelbild des anderen ist. In der Physik hat man Teilchen eine Eigenschaft mit gleichem Namen zugeteilt. Die hat aber nichts mit Spiegelbildern zu tun sondern mit etwas, für das keine anschauliche Entsprechung existiert, nämlich der “Zerlegung von Dirac-Spinoren in orthogonale Zustände, die unter Paritätsoperationen ineinander übergehen” (wie Wikipedia informiert, falls jemand was damit anfangen können sollte). Was auch immer man sich unter dieser Eigenschaft vorstellen will: Man hat bis jetzt immer nur linkshändige Neutrinos beobachtet (und immer nur rechtshändige Antineutrinos). Das wäre ok, wenn Neutrinos keine Masse haben. Denn dann würden für sie spezielle Erhaltungssätze gelten, aus denen folgt, dass das genau so sein muss. Jetzt haben Neutrinos aber eben eine Masse. Und die Erhaltungssätze gelten nicht. Es dürfte nichts geben, was Neutrinos daran hindert, auch mal rechtshändig zu sein (und umgekehrt für die Antineutrinos).

Deswegen hat man die Existenz einer vierten Neutrinoart vorhergesagt: Ein rechtshändiges Neutrino. Das würde dann, abgesehen von der Gravitation, überhaupt keine Kräfte mehr spüren. Man hat es “steriles Neutrino” genannt und danach gesucht. Nur: Wie sucht man nach etwas, das mit normaler Materie gar nicht mehr interagiert? Direkt kann man so ein steriles Neutrino nicht finden. Jedes Messgerät wäre für diese Dinger unsichtbar. Aber man kann das messen, von dem man weiß, das es da ist und schauen, ob man dann alles misst, was man messen sollte. Als man damals entdeckte, dass es drei Neutrinoarten gibt, lief das quasi genau so. Man hatte ein Messgerät, das in der Lage war, eine Art von Neutrinos zu messen (die eine, von der man damals wusste). Man hat aber nur 1/3 der Neutrinomenge gemessen, die man erwartet hatte. So war klar, dass da irgendwas nicht stimmt und mit verbesserten Detektoren konnte man dann die anderen beiden Arten finden.

Das Standardmodell der Teilchenphysik muss überarbeitet werden - und alle Tshirts!

Das Standardmodell der Teilchenphysik muss überarbeitet werden – und alle Tshirts!

Wenn man jetzt also Neutrinos misst, dann kann schauen, ob es auch hier Hinweise gibt, dass da noch was fehlt. Solche Hinweise auf eine vierte Neutrinoart hat man Ende der 1990er Jahre am Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND). Die Ergebnisse dort waren aber mit mehr oder weniger allen anderen entsprechenden Experimenten über die Eigenschaften von Neutrinos inkompatibel. Entweder LSND hat falsch gemessen – oder alle anderen. Es war plausibel anzunehmen, dass diese eine Experiment irgendwo irgendwas falsch gemacht hat. Und deswegen hat man das auch angenommen. Kürzlich hat man aber Daten vom MiniBooNE-Experiment am amerikanischen Fermilab veröffentlich (“Observation of a Significant Excess of Electron-Like Events in the MiniBooNE Short-Baseline Neutrino Experiment”). MiniBooNE bestätigt das, was LSND vor fast 20 Jahren gemessen hat. Zusammengenommen sind die Abweichungen von der Theorie nun sehr signifikant und liegen bei einem Wert von 6,1 Standardabweichungen. Was so eine Zahl im Detail bedeutet, habe ich hier erklärt, für diesen Fall bedeutet das: Man kann die LSND-Ergebnisse nicht mehr einfach ignorieren und als Messfehler abschreiben. Es existiert ein großer Konflikt zwischen jeder Menge sehr guter Experimente. Die einen finden keine Hinweise auf eine vierte Neutrinoart, die anderen schon.

Die Ergebnisse von MiniBooNE legen nahe, dass sich eine bestimmte Art von Neutrinos (die Myon-Neutrinos) ab und zu in ein steriles Neutrino umwandeln, dass dann zu einem Elektron-Neutrino wird. Und man deswegen sehr viel mehr dieser Elektron-Neutrinos misst, als man erwartet hatte. Aber da sind eben noch die ganzen anderen Experimente, die diesen Effekt ebenso eindeutig nicht gesehen haben. Irgendwas ist hier komisch. Die Wiederbelebung und Bestätigung der alten LSND-Anomalie ist ein mehr als deutliches Zeichen dafür, dass sich hier tatsächlich neue Physik versteckt, die wir noch verstehen müssen. Die Neutrinos treiben irgendwas, das in unseren bisherigen Theorien zum Verhalten von Elementarteilchen weder vorgesehen ist, noch beschrieben werden kann. Mehr als je braucht es neue Erklärungen und eine Erweiterung des Standardmodells! Und es braucht mehr Experimente. Wenn wir rauskriegen würden, warum bestimmte Detektoren anscheinend sterile Neutrinos messen und andere nicht, dann wären wir schon einen ganzen Schritt weiter. So oder so: Am Ende wird das Rätsel gelöst werden. Und wir haben dann hoffentlich etwas wirklich cooles und neues über das Universum gelernt.

P.S. Wer einen netten wissenschaftsbasierten Thriller lesen will, in dem sterile Neutrinos eine Rolle spielen, dem empfehle ich “Final Theory” (auf deutsch: “Die Würfel Gottes”)* von Mark Alpert (hab ich hier mal besprochen)
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Kommentare (27)

  1. #1 pane
    11. Juni 2018

    Ich überlege gerade, wenn es eine solche vierte Neutrinoart geben sollte, dann könnten die anderen Neutrinos doch masselos sein. Dann wäre es unmöglich, dass sich z.B ein Elektron-Neutrino direkt in ein Myon-Neutrino umwandelt, aber es könnte sich in ein steriles Neutrino umwandeln, das sich dann in ein Myon-Neutrino umwandelt.

  2. #2 Bernhard Schmalhofer
    München
    11. Juni 2018

    Gibt es eine Messung die nachweist dass Neutrinos der Gravitation unterliegen? Ich stelle mir das als ziemlich schwierig vor. Oder kann man aus der Geschwindigkeit der Neutrinos darauf schließen?

  3. #3 pane
    11. Juni 2018

    @Bernhard Schmalhofer: Weder noch. Aber wenn Neutrinos sich ineinander umwandeln können, muss es eine Massendifferenz geben. Es können nicht alle Neutrinos masselos sein.

  4. #4 Joselb
    11. Juni 2018

    @pane Würde nicht die SRT für masselose Teilchen gar keine Umwandlung erlauben, da für sie keine Zeit vergehen kann und sie daher (außer bei Interaktion mit anderen Teilchen) immer im gleichen Zustand bleiben müssen?

  5. #5 Сhemіkеr
    11. Juni 2018

    @Bernhard Schmalhofer

    Auch masse­lose Teilchen unter­liegen der Gravitation, z.B. die Photonen. Das konnte auch ex­peri­men­tell gezeigt werden.

    Bei anderen Elementarteilchen (außer Proton, Neutron, Elektron) gibt es vermutlich aktuell keine Mög­lich­keit, ihre Wech­sel­­wir­kung mit dem Gravitations­feld wirklich zu be­stim­men. Aber es gibt keinen Grund, an der the­oreti­schen Vor­her­sage zu zweifeln — die Äquivalenz zwischen Masse und Energie ist in der Re­la­tivi­täts­the­orie eine zentrale Aus­sage, und wenn daran etwas falsch wäre, müßte man den Effekt eigent­lich überall sehen.

  6. #6 Captain E.
    11. Juni 2018

    @Joselb:

    Würde nicht die SRT für masselose Teilchen gar keine Umwandlung erlauben, da für sie keine Zeit vergehen kann und sie daher (außer bei Interaktion mit anderen Teilchen) immer im gleichen Zustand bleiben müssen?

    Soweit ich das verstanden habe, ist das genau die Überlegung, wieso Neutrinos eine Masse haben müssen, trotz der Tatsache, dass man noch nie eine Masse ungleich Null oder eine Geschwindigkeit kleiner der Lichtgeschwindigkeit hat messen können.

    Die Überlegung von pane ist nun, dass von den vier (anstatt nur drei) Neutrinoarten drei masselos und eine massebehaftet seien. Die masselosen Neutrinos könnten sich dann nicht direkt ineinander umwandeln, sondern nur über den Umweg über die sterilen Neutrinos. Ob das klappen könnte, kann und will ich nichts weiter sagen. Zumindest ist bekannt, dass die garantiert ruhemassefreien und konstant lichtschnellen Photonen sich in etwas anderes umwandeln können. Von daher spricht erst einmal nichts dagegen, dass das bei ruhemassefreien Neutrinos nicht auch hinhauen könnte.

  7. #7 Alderamin
    11. Juni 2018

    @pane

    Worin liegt denn der prinzipielle Unterschied, ob sich ein Elektron-Neutrino in ein Myon-Neutrino oder ein steriles umwandelt? Wenn es sich in irgendwas umwandeln “will”, braucht es doch eine Masse, so oder so…

  8. #8 pane
    11. Juni 2018

    @Alderamin: Soweit ich es verstanden habe, muss es einen Masseunterschied geben. Wenn beide Ruhemassen gleich Null sind, gibt es diesen Unterschied nicht. Zwei massebehaftete Teilchen mit absolut gleicher Masse könnten sich auch nicht ineinander umwandeln.

  9. #9 Captain E.
    11. Juni 2018

    @Alderamin:

    Worin liegt denn der prinzipielle Unterschied, ob sich ein Elektron-Neutrino in ein Myon-Neutrino oder ein steriles umwandelt? Wenn es sich in irgendwas umwandeln “will”, braucht es doch eine Masse, so oder so…

    Wenn das so stimmte, wie sollte dann ein Photon eine Teilchen-/Antiteilchen-Bildung bewirken können?

  10. #10 Tox
    11. Juni 2018

    @Captain E.:
    Das Photon benötigt dafür noch ein weiteres Teilchen. Im Vakuum kann sich ein Photon nicht in ein Teilchen-Antiteilchen-Paar umwandeln. (Das sieht man relativ leicht schon aus der Energie- und Impulserhaltung.)

  11. #11 Alderamin
    11. Juni 2018

    @Captain E.

    Da ist immer noch ein drittes Teilchen beteiligt. Das ist, glaube ich, was anderes als eine spontane Umwandlung in ein anderes Teilchen / Teilchenflavor wie bei den Neutrinos. Die oszillieren zwischen verschiedenen Überlagerungszuständen, so eine Art Schwebung. Hab’s aber nicht so richtig verstanden, nicht so mein Gebiet.

  12. #12 Bullet
    11. Juni 2018

    Die hat aber nichts mit Spiegelbildern zu tun sondern mit etwas, für das keine anschauliche Entsprechung existiert, sondern die “Zerlegung von Dirac-Spinoren in orthogonale Zustände, die unter Paritätsoperationen ineinander übergehen” (wie Wikipedia informiert, falls jemand was damit anfangen können sollte).

    Ich hab zufällig letztens in der Wikipedia was über Neutrinos gelesen (ich glaub, ich hatte vorher in irgendeinem unbedeutenden Halbwissenschaftsblog eines Fachfremden, der, afai mich erinnere, nicht einmal Teilchenphysiker, sondern Astrolognom war, irgendwas mit Neutrinos vor der Nase gehabt), von daher hab ich das schon verstanden.
    Zum Verständnis ist da nicht unwichtig, verinnerlicht zu haben, was ein Dirac-Spinor ist:

    Unter einem Dirac-Spinor (nach Paul Dirac) versteht man ein Element der fundamentalen Darstellung Δ der komplexifizierten Clifford-Algebra [Cliff (p,q)]. Diese Darstellung existiert für alle Signaturen p,q und ist in 2n bzw. 2n+1 Dimensionen (komplex) 2^n-dimensional. In geraden Dimensionen ist diese Darstellung, als Darstellung von [Spin (p,q)] betrachtet, reduzibel. Sie kann in zwei sogenannte Weyl-Spinoren der Dimension k zerlegt werden: Δ = Δ+ ⊕ Δ−. [+ und – sind hier eigentlich tiefgestellt, Anm. Bullet]

    Wenn man das kapiert hat, ist der Rest ein Klacks.
    😀

  13. #13 Bullet
    11. Juni 2018

    @Tox:

    Im Vakuum kann sich ein Photon nicht in ein Teilchen-Antiteilchen-Paar umwandeln. (Das sieht man relativ leicht schon aus der Energie- und Impulserhaltung.)

    Wieso?

  14. #14 Alderamin
    11. Juni 2018

    @Bullet

    Wikipedia-Einträge zu komplexen Themen, die man nicht versteht, helfen einem oft nicht weiter. Ich such’ mir dafür mittlerweile lieber andere Quellen. Die Wikipedia-Autoren (ich weiß, jeder ist berufen, aber nur wenige halten sich für auserwählt…) scheinen sich darin übertreffen zu wollen, möglichst jedes Detail in höchstmöglicher Vollständigkeit abzuhandeln. Verständlichkeit ist bestenfalls drittrangig.

  15. #15 Bullet
    11. Juni 2018

    @myhumbleself:
    Ich hab den von mir selbst verlinkten Wikipedia-Artikel durchaus gelesen, dabei aber einen Denkfehler begangen. Die entsprechende Passage ist (mit Fettung des wichtigen Teils):

    Im Ruhesystem der beiden [durch Paarbildung entstandenen] Teilchen haben diese zusammengenommen einen Impuls von null.

    Und dann stimmts wieder. Wenn man nur die beiden Teilchen betrachtet, dann streben die natürlich mit derselben Geschwindigkeit genau voneinander weg – was dann Null ergibt.

  16. #16 Bullet
    11. Juni 2018

    @Alderamin:

    Wikipedia-Einträge zu komplexen Themen, die man nicht versteht, helfen einem oft nicht weiter.

    Was? Fandest du den Dirac-Spinor nicht leichtverständlich?

  17. #17 Krypto
    11. Juni 2018

    Danke, Florian, mal wieder sehr schön geschrieben und inhaltlich sowieso ein Highlight!

    Und mit der Realität kann man nicht streiten.

    Schade, dass man diese wissenschaftliche Erkenntnis nicht auf die Politik übertragen kann 😉

  18. #18 Florian Freistetter
    11. Juni 2018

    @Alderamin: Das man Wikipedia-Einträge zu komplexen Themen (oft auch zu nicht-komplexen Themen 😉 ) oft schwer versteht, ist mir auch schon aufgefallen. Vor allem sind sie oft VIEL zu lang, wenn man nur mal eben schnell wissen will, was etwas bedeutet.

    Ich bin mir aber nicht sicher, ob mna das Wikipedia vorwerfen soll. Es ist ja Enzyklopädie, die vor allem das vorhandene Wissen abbilden will. Hat Wikipedia auch den Anspruch, allgemein verständlich zu sein? Das kollidiert ja iA mit dem Anpruch, ein Phänomen vollständig zu beschreiben.

    Es müsste eine Wikipedia geben, in der Dinge erklärt werden, so dass sie 1) allgemein verständlich sind und 2) nur das erklärt wird, was für das Verständnis absolut nötig ist. Also eine Enzyklopädie, die für jeden Eintrag den kürzestmöglichen, allgemeinverständlichen Text enthält, der ein Ding ausreichend gut erklärt…

  19. #19 Krypto
    11. Juni 2018

    @Bullet#13:
    War Dein Wikilink als Gegenargument oder tatsächlich als Frage gedacht? 😉

  20. #20 Alderamin
    11. Juni 2018

    @Florian

    Eigentlich würde es reichen, wenn zu Beginn jedes Kapitels über ein komplexes Thema eine allgemeinverständliche Erklärung mit Beispielen käme und es erst weiter unten ins Eingemachte ginge. Manche Artikel sind auch so strukturiert, nur leider viel zu wenige. Es fehlt an einem Regelwerk, wie Artikel auszusehen haben.

    Natürlich muss sich auch jeweils einer finden, der in der Lage ist, kompliziertes Zeug einfach zu erklären. Wahrscheinlich hapert’s daran. Aus dem Lehrbuch abschreiben kann jeder…

  21. #21 PDP10
    11. Juni 2018

    @Alderamin, Florian:

    In der englischsprachigen Wikipedia ist es so wie’s sein soll: Vernünftig erklärt am Anfang – die man sogar versteht – und dann später Mathe für Spezialisten …

    https://en.wikipedia.org/wiki/Chirality_(physics)

    Mir fällt immer wieder auf, dass die Artikel in der en-Wikipedia zu Themen aus der Physik oft um Längen besser sind. (Ist natürlich nur eine subjektive Stichprobe).

    Aus dem Lehrbuch abschreiben kann jeder…

    Das ist exakt das Problem mit Artikeln zu physikalischen Themen in der deutschsprachigen Wikipedia.
    Es gibt da tatsächlich viele, die einfach aus gängigen Lehrbüchern – nicht eins zu eins abgeschrieben, aber sagen wir mal, zusammengefasst wurden.

    Und wenn man mal ein paar Sätze ergänzen will, gehen die Diskussionen los. Entweder fühlen sich offenbar einige “Autoren” auf die Finger getreten wenn man an “ihren” Artikeln was verbessert … oder es kommt die Löschpolizei.

  22. #22 PDP10
    11. Juni 2018

    Passend zum Thema erscheinen gerade überall Artikel über die neue Neutrino-“Waage” am Karlsruher Institut für Technologie.

    Dieser hier sei beispielhaft verlinkt wegen des bizarren und spektakulären Bilds am Anfang :-)….

    https://www.zeit.de/2018/24/neutrinos-physik-karlsruher-institut-technologie-katrin

  23. #23 Jens
    12. Juni 2018

    Könnten die sterilen Neutrinos ein Kandidat für die dunkle Materie sein?

  24. #24 Captain E.
    12. Juni 2018

    @Jens:

    Sicher, sie können. Man hatte halt nur zuletzt gedacht, dass es sie gar nicht gäbe. Falls sie aber doch existieren, tragen sie natürlich etwas zur Gesamtmasse der Dunklen Materie bei. Die “normalen” Neutrinos sind aber natürlich auch ein Teil davon, nur eben ein (zu) kleiner.

  25. #25 Bullet
    12. Juni 2018

    @Krypto: hähä 😉
    Am Anfang wollte ich es als Gegenargument bauen, aber dann stolperte ich über diese Impulssache. Da dachte ich, ich könnt das einfach so stehenlassen. Aber wie’s dann so ist: irgendwann ploppte es von selbst zusammen.

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