Neutrinos zu untersuchen, ist eines der spannendsten aktuellen Ereignisse in der Teilchenphysik. Dank ihren besonderen Eigenschaften, nur an der Schwachen Wechselwirkung teilzunehmen, können sie uns viele Informationen von den Rändern des Standardmodells liefern. Leider sind sie deswegen auch sehr schwierig zu detektieren, weswegen man große Tanks und viel Geduld braucht. Die ersten Experimente schauten sich die Neutrinos an, die von der Sonne kamen, wie z.B. das Homestake-Experiment. Das ging deswegen, weil man die Prozesse in der Sonne kennt, und ausrechnen kann wieviele Neutrinos entweichen müssen. Seltsamerweise zählte man zu wenige – das Sonnenneutrinos-Problem.

Neutrinos sind die Partnerteilchen zu den drei Leptonen Elektron, Myon und Tauon. Man erwartete, dass sie masselos seien, aber die Lösung für das Sonnenneutrinos-Problem verlangt, dass sie doch eine geringe Masse tragen. Und die Lösung besagt in etwa, dass die Erscheinungsart des Neutrino, die wir als Masse tragend beobachten, nicht gleich einer der drei Geschmacksrichtungen an Neutrinos ist (also Elektron, Myon oder Tau). Stattdessen ist ein solche Masse-Zustand eine Mischung aus den Geschmacksrichtungen. Klingt seltsam, ist es auch, scheint aber die Lösung zu sein. Diese Mischung bedeutet außerdem eine Möglichkeit zur Umwandlung der Neutrinos ineinander – ein Teil der erwarteten Sonnenneutrinos hatte sich einfach in eine andere Geschmacksrichtung verwandelt, wie man auch später in Experimenten nachweisen konnte, die nach den anderen Neutrinoarten suchten.
Neuere Experimente nutzten dann Teilchenbeschleuniger, die durch Beschuss eines festen Ziels Neutrinostrahlen erzeugten, die dann in einigen Hundert Metern, oder mittlerweile Hundert Kilometern Entfernung von einem großen Detektor gezählt wurden. Dadurch will man genauer die Umwandlungsraten ermitteln.

Da fehlt doch was – oder nicht – oder doch?

Eines der ersten Experimente, der Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) in Los Alamos fand 1990 ein unerwartetes Ergebnis: Die gemessenen Umwandlungsraten für Antineutrinos konnten nicht durch das Standardmodell reproduziert werden! Wenige Jahre später konnte man durch weitere Experimente mehr als drei Generationen an Neutrinos ausschließen. Aber Theoretiker kannten noch einen Ausweg: Bestimmte Modelle jenseits des Standardmodells sagten sterile Neutrinos vorher, ganz bestimmte Mischungen die noch scheuere Teilchen erzeugten. Im Gegensatz zu den bekannten Neutrinos würden diese sterilen Neutrinos noch nicht einmal an der Schwachen Wechselwirkung teilnehmen. Wenn man bedenkt wie schwierig bereits die bekannten Neutrinos zu finden sind, wäre es als kein Wunder wenn man sterlie Neutrinos noch nicht gefunden hätte.

Dann aber kam erst einmal die Reproduktion der Messergebnisse durch das MiniBooNE-Experiment. Oder auch nicht. Denn 2007 konnte die Forscherinnen dieser Kollaboration bekannt geben: Unsere Messungen lassen sich wunderbar durch das Standardmodell erklären. LSND hat Unfug gemessen.
Oder haben sie?
Im Gegensatz zu LSND hatte MiniBooNE nämlich Neutrinos vermessen und nicht Antineutrinos. Um sicher zu sein, machte man sich 2006 an die Arbeit und stieg auf Antineutrinos um. Diese Antimaterie-Partner zum Neutrino sind allerdings schwieriger zu erzeugen, weswegen MiniBooNE länger braucht, um ausreichend Statistik zusammen zu bekommen. Im Juli wurden erste Ergebnisse bekannt gegeben (die zwar noch zwei Jahre zu früh sind um die wirklich gewünschte Statistik zu beinhalten, allerdings auch schon nur noch 3% Raum für einen Fehlgriff lassen). Und die neuen Daten scheinen LSND zu rehabilitieren, was wirklich überrascht: Denn das bedeutet dass Neutrinos und Antineutrinos sich unterschiedlich verhalten.

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Bildquelle: Fermilab Today

In den beiden Plots sieht man zunächst oben die alten Ergebnisse für die Neutrinos. Es wird jeweils für verschiedene Energiebereiche des Neutrinos gezählt, wieviele Neutrinos man zählen konnte. Diese Messergebnisse sind als blaue Datenpunkte gezeigt. Ihre Unsicherheitsbalken erfassen voll die Stufen der Erwartung. Um die Stufen der Erwartung zu bauen, setzt man alle die Quellen zusammen, aus denen Neutrinos kommen können. Dies sind natürlich die erwarteten umgewandelten Neutrinos aus verschiedenen Zerfällen, aber auch die Hintergrundereignisse, z.B. durch radioaktive Zerfälle in der Nähe des Detektors oder durch fälschlich erfasste andere Teilchen.
Im unteren Plot aber sind die Ergebnisse für die Antineutrinos aufgetragen, also die Teilchensorte, die man bei LSND verwendet hat. Hier erwartet man keine Abweichungen von den Stufen, aber die blauen Datenpunkte liegen oft trotz großer Fehlerbalken wirklich daneben!

Jenseits des Standardmodells?

Was kann das sein? Nun, wenn sich die Messungen bestätigen, dann muss das Modell falsch sein dass die Stufen erzeugt. Die Interaktion mit einem, oder sogar mehreren sterilen Neutrinos könnte die Abweichungen im Verhalten erklären. In einem Versuch, die Ergebnisse mit einem sehr generellen Modell mit zwei zusätzlichen sterilen Neutrinos zu reproduzieren, gelang die Anpassung an jeweils einen der Plots, aber NICHT die gemeinsame Wiedergabe beider Plots. Aber mit einem Modell das Interaktionen jenseits des Standardmodells erlaubt und mit einem sterilen Neutrino gelang es Evgeny Akhmedov und Thomas Schwetz vom Max-Planck-Institut in Heidelberg, die Stufen für beide Plots zurecht zu rücken.
Übrigens habe ich schon im Juni von einem anderen Experiment – MINOS, berichtet, das ebenfalls Unterschiede zwischen Neutrinos und Antineutrinos sieht. Sind das also tatsächlich die ersten Symmetriebrechungen die uns Physik jenseits des Standardmodells liefern? In 2-3 Jahren sind wir schlauer!


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Kommentare (4)

  1. #1 Frank Wappler
    12/21/2010

    Jörg Rings schrieb:
    > Neutrinos sind die Partnerteilchen zu den drei Leptonen Elektron, Myon und Tauon. […] die Erscheinungsart des Neutrino, die wir als Masse tragend beobachten, [ist] nicht gleich einer der drei Geschmacksrichtungen an Neutrinos […] (also Elektron, Myon oder Tau). Stattdessen ist ein solche Masse-Zustand eine Mischung aus den Geschmacksrichtungen.

    Nein: genau wie im Quark-Sektor gilt auch im Leptonen-Sektor der Masse-Zustand exakt als “flavo(u)r” (“Geschmack”).

    Die drei entsprechenden Geschmacksrichtungen von Neutrinos werden üblicherweise als

    “nu_1”, “nu_2” und “nu_3”

    benannt, und sie sind von den drei elektro-schwachen Neutrino-Eigenzuständen

    “nu_e”, “nu_mu” und “nu_tau”

    zu unterscheiden, die per W-Boson vollständig und ausschließlich mit Elektron, Myon oder Tau koppeln.

    Der Mischungszusammenhang zwischen den Masse- bzw. Geschmacksrichtungen und den elektro-schwachen Eigenzuständen von Neutrinos wird als sogenannte PMNS-Matrix parametrisiert. (Vgl. CKM-Matrix im Quark-Sektor.)

    (Die gezeigten Messwerte und Modell-Simulationen bzw. -Erwartungen sind sicherlich in Kenntnis und unter Berücksichtigung der genannten Begriffe erstellt worden …)

  2. #2 Frank Wappler
    12/21/2010

    Frank Wappler schrieb:
    > Der Mischungszusammenhang zwischen den Masse- bzw. Geschmacksrichtungen und den elektro-schwachen Eigenzuständen von Neutrinos wird als sogenannte PMNS-Matrix parametrisiert.

    Richtiger:
    die PMNS-Matrix beschreibt Übergangsamplituden zwischen Flavors (d.h. Zuständen bestimmter Masse) geladener und neutraler Leptonen durch Wechselwirkung mit einem W-Boson.

    Vergleichbar der CKM-Matrix, kann die PMNS-Matrix als Produkt zweier (unitärer) Matritzen aufgefasst werden, die ihrerseits jeweils (getrennt für drei geladene und für drei neutrale Leptonen) den Mischungszusammenhang zwischen deren Flavors und den elektro-schwachen Eigenzuständen der entsprechenden Ladung ausdrückt.

  3. #3 perk
    12/23/2010

    @ frank wappler
    ich weiß zwar nicht wo sie das so handhaben, aber die particle data group vom fermilab sieht das anders

    Die drei entsprechenden Geschmacksrichtungen von Neutrinos werden üblicherweise als
    “nu_1”, “nu_2” und “nu_3”
    benannt, und sie sind von den drei elektro-schwachen Neutrino-Eigenzuständen
    “nu_e”, “nu_mu” und “nu_tau”

    die pdg sieht nu_e, nu_mu und nu_tau als die flavoureigenzustände der neutrinos und nu_1 – nu_3 als die masseneigenzustände der neutrinos

    für die entsprechenden leptonen selbst gilt allerdings flavoureigenzustand = masseneigenzustand
    womöglich meinten sie

    genau wie im Quark-Sektor gilt auch im Leptonen-Sektor der Masse-Zustand exakt als “flavo(u)r” (“Geschmack”).

    in diesem sinne.. das bezieht sich allerdings nur auf e mu tau und nicht auf die neutrinos

    This superposition of neutrino mass eigenstates, produced in association with the charged lepton of “flavor” α, is the state we refer to as the neutrino of flavor α.

    aus http://pdg.lbl.gov/2007/reviews/numixrpp.pdf
    entspricht genau dem was jörg schrieb: die flavourstates sind mischungen der massenzustände.. bzw alternativ die massenzustände lassen sich aus den flavourzuständen mischen

  4. #4 Frank Wappler
    12/27/2010

    perk schrieb:
    > aus http://pdg.lbl.gov/2007/reviews/numixrpp.pdf
    >

    This superposition of neutrino mass eigenstates, produced in association with the charged lepton of “flavor” α, is the state we refer to as the neutrino of flavor α.

    Klasse! Da kann man sich ja schon sehr darauf freuen, dass die Rings-Kaysersche Formulierung jemand weniger Pingeligem Anlass gibt, auch von
    einem Quark-Masse-Zustand als Mischung aus den Geschmacksrichtungen
    bzw. von
    the quark flavor produced in association with quark “flavor” alpha, as a superposition of quark mass eigenstates
    zu fabulieren.

    p.s.
    Wie die Webadresse nahelegt, residiert die PDG am LB(N)L.
    Vielleicht freut (bzw. freuen) die sich ja mal über geschmackvolle Neujahrgrüße.

    p.p.s.
    Vor einigen Monaten hatten wir eine Korrespondenz, in der es (kurz gefasst, SWIME) darum ging, ob für eine “foliation” ein bestimmter “match up of plaques” erforderlich ist, oder nicht
    (Begriffe aus http://en.wikipedia.org/wiki/Foliation;
    in http://de.wikipedia.org/wiki/Bl%C3%A4tterung finde ich dazu leider keine direkten Entsprechungen),
    und wie solch ein bestimmter “match up” erforderlichenfalls im Rahmen physik-bezogener Gedankenexperimente zu erstellen sei.
    Du hattest dabei das vorerst letzte, sehr ausführliche Wort, und — tut mir leid — ich hab mich noch nicht aufraffen können, meinen Widerspruch in zahlreichen relevanten Details zu formulieren (abgesehen vom gerade Geschriebenen) …