An einem speziell dafür ausgelegten Experiment ist jetzt etwas gelungen, das man damit vergleichen könnte, Superman beim Umziehen zu erwischen: Man hat die Umwandlung eines Neutrinos in eine andere Neutrinoart direkt beobachten können.

Seit den ersten Experimenten mit riesigen Tanks und sehr geringen Zählraten weiß man, dass Neutrinos sich ineinander umwandeln können. Man beobachtete, dass weniger Elektron-Neutrinos von der Sonne kommen als erwartet – und schließlich kennt man die Prozesse der Fusion und weiß, wie viele Neutrinos entkommen. Spätere Experimente bestätigten dann, dass die Elektron-Neutrinos sich in die Neutrinos der höheren Generationen umwandeln können. Das können Quarks übrigens auch – und die Suche nach den genauen Mischungsverhältnissen ist eine der aktuellen Aufgaben der Physik. Für die Quarks wird das z.B. am LHC geschehen, für Neutrinos führt man jetzt “Long-Baseline-Experimente” durch.

Dabei erzeugt man an einem Teilchenbeschleuniger einen intensiven Strahl aus Neutrinos und schickt diesen in Richtung eines Detektors. Da Neutrinos so reaktionsfaul sind, stehen diese einige hundert Kilometer entfernt tief unterirdisch, meistens in stillgelegten Minen wie der Homestake Mine oder dem Gran Sasso Laboratorium. Da man unterschiedliche Abstände zwischen Beschleuniger und Detektor hat (die “baseline”, z.B. von Brookhaven nach Homestake oder vom CERN nach Gran Sasso) und weiß wie viele Neutrinos eines Typs am Anfang da waren, kann man aus den gemessenen Raten und Arten die Mischung genauer bestimmen.

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Ein besonderes Experiment aber ist OPERA. Er steht in Gran Sasso wird vom 730 km entfernten CERN mit Neutrinos versorgt. Neben “üblichen” Detektorteilen, die Impuls und Energie erzeugter Teilchen bestimmen, sind 150000 Ziegel das Kernstück des Detektors. Die Ziegel sind mit Bleischirmen und eine photographisch aktivierbaren Emulsion gefüllt. Ein Teilchen, das darin erzeugt wird, hinterlässt quasi eine Photoaufnahme. Der Clou: wird ein Ziegel als “getroffen” identifiziert, wird er automatisch extrahiert und zur Analyse geschickt.

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Und so ist es den beteiligten Forschern jetzt gelungen, ein ganz besonderes Ereignis auszuspüren: Eine direkte Beobachtung der Umwandlung eines Myon-Neutrinos in ein Tauon-Neutrinos, innerhalb einer Telefonzelle eines Ziegels. Volltreffer!

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Man sieht klar, da kommt das Myon-Neutrino (“parent”), macht einen kleinen Knick, und heraus springt – wie man nach eingehender Analyse ermitteln konnte – ein Tau-Neutrino (“daughter”).
Dieses Ergebnis bestätigt auch wieder, und diesmal direkt, dass Neutrinos eine (kleine) Masse haben.
Wie immer gilt: Einmal ist kein Mal, das ganze ist “nur” eine statistisch sehr wahrscheinliche Beobachtung gegenüber Hintergrundereignissen und daher kann OPERA erst dann behaupten, diese Umwandlung wirklich zu beobachten, wenn sie mehrmals gemacht wurde.


Quellen und weiterführende Links
1: Seite des OPERA-Detektor
2: Gran Sasso National Laboratory
3: Wired Science: Elusive Neutrino Change-Up Finally Detected
4: Seminarvortrag zu OPERA und der entdeckten Umwandlung (PDF)
5: Veröffentlichung “Observation of a first \nu_\tau candidate in the OPERA experiment in the CNGS beam” im arXiv



Kommentare (9)

  1. #1 nihil jie
    06/14/2010

    danke für die neuen infos 🙂 aber wo wir gerade bei den neutrinos sind… was ist eigentlich aus dem IceCube projekt geworden ? lebt es ?

  2. #2 Physiker
    06/14/2010

    Interessant:
    In dem Artikel wird ein Streuprozess vorgestellt. Das Myon-Neutrino wird in ein Tau-Neutrino umgewandelt durch Impuls- und Energie-Änderung verbunden mit der Emission von Photonen.
    Ich hatte mir die Neutrino-Oszillationen immer als quantenmechanische Überlagerung vorgestellt, d.h. erst beim Messprozess entscheidet sich, in welchem Flavour-Eigenzustand das Elementarteilchen vorliegt.
    Wenn jede dieser Oszillationen mit der Emission von Photonen verbunden wäre, dann sollte unser Universum im entsprechenden Frequenzbereich hell erleuchtet sein*) (und die Mehrzahl der Neutrinos in unserem Universum ziemlich langsam sein) – oder wechselwirkte das Myon-Neutrino in diesem Experiment mit einem Streuzentrum**)?

    Naja, vieleicht sollte ich den arxiv-Artikel erstmal ganz lesen – aber als nicht-Teilchenphysiker spare ich mir mal die Mühe…

    *) was nicht zutrifft, wenn ich das richtig sehe:
    http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Egret_allsky_above100Mev.png&filetimestamp=20070211202649
    **) dann wäre diese Beobachtung ungeheures Glück. Und wo sind dann die Teilchenspuren des Streuzentrums?

  3. #3 Frank Wappler
    06/14/2010

    Jörg schrieb (im Artikel):
    > da kommt das Myon-Neutrino (“parent”) […] und heraus springt […] Tau-Neutrino (“daughter”).

    Das im obigen Bild als “parent” bzw. “daughter” bezeichneten Bildelemente werden in der als Referenz 5 genannten Veröffentlichung “Observation of a first \nu_\tau candidate in the OPERA experiment in the CNGS beam”, Fig. 1, auch als “Track 4” bzw. “Track 8” bezeichnet,
    was sich wohl als Ionisationsspuren geladener Teilchen versteht (s. S. 11);

    die “primäre Neutrino-Wechselwirkung” wird als aus 7 tracks bestehend beschrieben (s. S. 9), bezieht sich also offenbar auf den Vertex im Bild links;

    und der Sekundärvertex gilt als kompatibel mit einem Zerfall “Tau-minus zu einem Hadron-minus, n Pi0, und einem tau-Neutrino” (s. S. 13).

    Die “parent”-Spur stellt also wahrscheinlich das “Tau-minus” dar, und die “daughter”-Spur das “Hadron-minus” …

  4. #4 Physiker
    06/14/2010

    @ Frank Wappler:
    Danke für diese Klarstellung. Man sieht also keine Neutrino-Oszillation innerhalb von wenigen Mikrometern – hätte mich auch sehr gewundert.

  5. #5 CCS
    06/14/2010

    Was ist denn zwischen Teilchenbeschleuniger und Detektor? Haben sie da lange Tunnel gegraben oder schicken die das einfach durch den massiven Untergrund, da Neutrinos sowieso kaum mit etwas interagieren?

  6. #6 Elischa
    06/14/2010

    @ Physiker und Frank Wappler:

    “Die “parent”-Spur stellt also wahrscheinlich das “Tau-minus” dar, und die “daughter”-Spur das “Hadron-minus” …”

    Das macht mehr Sinn. Ich hatte mich auch schon gewundert, da Photon gar nicht mit Neutrinos wechselwirken.

  7. #7 Physiker
    06/14/2010

    Fazit:
    Das tolle an dem arxiv-paper ist, dass man im OPERA-Experiment erstmals einen Kandidaten für eine Neutrino-Oszillation auf einer Strecke von 730km direkt nachgewiesen hat, da am CERN fast ausschließlich Myon-Neutrinos erzeugt werden und die obige Signatur (“parent”/”daughter”-Event) einem Tau-Neutrino zugeordnet werden kann.

    Das besondere an dem OPERA-Experiment ist nun, dass erstmals direkt die andere Neutrino-Sorte nachgewiesen wurde. Wenn ich das richtig sehe, wurde in allen bisherigen Experimenten zur Neutrino-Oszillation nur das Fehlen einer Neutrino-Sorte beobachtet und deshalb auf die Oszillation geschlossen. In OPERA soll der erste direkte Nachweis gelingen. Das vorliegende Ereignis zeigt zumindest, dass der Detektor funktioniert.

  8. #8 Manea-K
    06/14/2010

    Hat jemand verstanden (und kann mir erklaeren), woher sie wissen, dass der Prozess von einem (vom Myon- zum Tau- oszillierten) Neutrino aus dem CERN stammt? Es koennte doch auch einfach irgendein Hintergrund-Tau-Neutrino von sonstwoher sein.

  9. #9 Physiker
    06/14/2010

    @ Manea-K:
    Stimmt genau. Das kann niemand wissen. Nur wenn sehr viel mehr (Tau-)Neutrinos vom CERN stammen als es Hintergrund-Neutrinos (Kosmische Strahlung, Sonne, Kernreaktoren,…) gibt, kann man sich mehr oder weniger sicher sein – und selbst dann braucht man Statistik. Ein einzelnes Ereignis sagt noch gar nichts. Im arxiv-paper findet sich Angaben zur Strahlintensität und auch eine Diskussion zur Wahrscheinlichkeit…

    Kurz: Wenn die hohe Strahlintensität vom CERN nicht auf das Experiment gerichtet wäre, würde man ca. zehn mal weniger Ereignisse messen.