Im Betazerfall zerfällt ein Neutron in ein Proton, Elektron und Antineutrino. Und da in so einem Atomkern viele Neutronen vorkommen, können auch mal zwei gleichzeitig zerfallen. Nur weil das passieren kann, macht das jetzt interessant, das auch zu messen? Nein, nur wenn wir auf der Suche nach einem Spezialfall des doppelten Betazerfalls sind, der darüber richten kann, welche Art von Teilchen Neutrinos sind.
Wie ihr wisst, gibt es zwei Arten von Teilchen, Materie und Antimaterie. Das Anti-Teilchen zum Elektron ist beispielsweise das Positron, das in allem gleich ist außer der umgekehrten elektrischen Ladung. Die Materieteilchen kommen ganz schlecht mit ihren “bösen Zwillingen” aus. Wer anfängt ist nicht ganz klar, aber Streit gibt es immer – und trifft ein Teilchen sein Antiteilchen, löschen sich beide aus.
Neutrinos sind ja leider sehr schwierig zu messen; und auch wenn man jetzt ziemlich gute Hinweise darauf hat, dass sie eine (sehr kleine) Masse haben, ist eine entscheidende Frage noch nicht klar: Sind Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen? Den Fall, dass Neutrino und Antineutrino verschieden sind, also so wie Elektron und Positron, nennt man Dirac-Neutrinos, und den Fall dass Neutrino gleich Antineutrino ist nennt man Majorana-Neutrino.
Wenn ein doppelter Betazerfall ohne Neutrinos beobachtet wird, müssen Neutrino Majorana-Teilchen sein. Warum? Schauen wir uns erstmal einen doppelten Betazerfall an:
Doppelter Betazerfall
Den ersten Fall gibt es sicher, nämlich den zeitgleichen Zerfall zweier Neutronen, hier im Feynman-Graph:
Oben und unten sieht man das Neutron/Proton. Dass da drei Linien gezeichnet sind, liegt daran dass sich ja eigentlich nur ein Quark von dreien umwandelt. Das ist dieses, von dem eine Wellenlinie ausgeht. Die Wellenlinie steht für das W-Boson, das die schwache Kraft übermittelt. Es ist sozusagen ein Halbbruder des Photons, aber mit Masse. Das W zerfällt sehr schnell in Elektron und Antineutrino.
Was messen wir hier? Die Antineutrinos können wir nicht messen, aber sie erhalten sicherlich ein bißchen des Impulses mit. Außerdem müssen gleichzeitig zwei Elektronen feststellbar sein. Den Impuls, den die Elektronen dabei haben, kann man verwenden um sie vom zweiten Fall, dem neutrinolosen doppelten Betazerfall zu unterscheiden:
Man sieht, dass die Antineutrinos verschwunden sind und stattdessen die gestrichelte Linie und ein Photon dort stehen. Dieser Fall kann nur auftreten wenn Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Warum?
Wir hatten gesehen, dass Elektron und Positron sich auslöschen, wobei Photonen entstehen. Im ersten Bild kamen aber zwei Antineutrinos heraus. Für den Fall, dass diese aber in Wahrheit gleich Neutrinos sind, können sich diese zwei in manchen Fällen auslöschen. Das wäre dann der zweite Fall. In diesem Fall würde außerdem der ganze Impuls für die beiden Elektronen zur Verfügung stehen.
Im obigen Fall würde man also die Elektronenenergie als Verteilung messen, je nachdem wieviel die Antineutrinos wegtragen. Im neutrinolosen Zerfall aber müsste die Energie der Elektronen in einem scharfen Peak messbar sein. Könnte man also im Experiment diesen Peak nachweisen, müsste der neutrinolose doppelte Betazerfall existieren und wir könnten sagen sein dass Neutrinos Majorana-Teilchen sind.
Außerdem wäre die Anzahl an neutrinolosen Zerfällen umso höher, je höher die Masse des Neutrino ist. Die neue Generation an Experimenten ist vielleicht gut genug um diese Zerfälle zu finden – wenn die Masse zu niedrig ist müssen wir aber vielleicht erst auf die übernächste Generation warten, die auch geplant ist. Um die Experimente, die dieses und in den nächsten Jahren anlaufen werden, wird es dann im zweiten Teil gehen.
Kommentare (7)