Anfang der Neunziger Jahre gab es experimentelle Hinweise auf ein neues Teilchen, das 17-keV-Neutrino. In diesem dritten Teil der Geschichte will ich die Reaktion der theoretischen Physiker auf diese Möglichkeit beleuchten, eine Geschichte, zu der ich eine ganz persönliche Beziehung habe.
Als ich letztes Wochenende anfing, diese Geschichte zu schreiben, hatte ich die theoretischen Arbeiten nur überflogen, aber noch nicht gesichtet. Wenn ich gewusst hätte, worauf ich mich da einlasse, hätte ich diese Geschichte vielleicht besser nach Episode II beendet – meine letzte ernsthafte Beschäftigung mit theoretischer Elementarteilchenphysik ist ja schon eine Weile her, und Dinge wie Majoronen, See-saw-Mechanismen, MSW-Mechanismen, Leptoquarks, Zeldovich-Konopinski-Mahmoud-Leptonen-Ladungen brachten meinen Kopf gründlich zum Schwirren.
Aber keine Sorge – zu tief werde ich in die Details nicht einsteigen, sondern nur versuchen zu zeigen, wie die Theoretiker mit dem neuen Teilchen umgingen. Falls es Euch doch zu technisch wird, springt einfach direkt nach unten zum letzten Abschnitt, dort erzähle ich, warum mich das 17-keV-Neutrino interessiert und versuche, allgemeine Schlüsse zu ziehen, so wie schon am Ende von Episode II.
Was könnte das 17-keV-Neutrino sein?
Was es nicht sein konnte, war relativ klar: Ein vierter Neutrino-Flavor zusätzlich zu Elektron- Myon- und Tauon-Neutrino. (Ich schreibe hier manchmal Tau-Neutrino, manchmal Tauon-Neutrino. Beides ist dasselbe.) Das war durch Experimente am CERN definitiv ausgeschlossen, weil man dieses Neutrino dann beim Zerfall des Z-Bosons hätte sehen müssen. Aus dem Z-Boson-Zerfall kann man ableiten, dass es nur drei Neutrino-Flavors geben kann. (Ein vierter wäre nur denkbar, wenn das Neutrino dazu eine Masse hätte, die in derselben Größenordnung läge wie die des Z-Bosons viel schwerer wäre als das Z-Boson, aber das passte nicht zum Wert von 17 keV, denn das Z-Boson ist etwa 5Millionenmal schwerer als das.)
Konnte das 17-keV-Neutrino vielleicht einfach das Tau-Neutrino sein? Dazu müsste aus dem Elektron-Neutrino ein Tau-Neutrino werden können.
Gemischte Teilchenzustände
Das 17-keV-Neutrino (von dem ich der Einfachheit halber jetzt erstmal so tue, als würde es existieren, sonst wird der Text hier vor lauter Konjunktiven absolut unlesbar) sollte ja beim β-Zerfall entstehen. Im β-Zerfall zerfällt ein Neutron normalerweise in ein Proton, ein Elektron, und ein Elektron-Neutrino, aber in etwa 1% der Fälle (nach den Daten von 1992) sollte statt des Elektron-Neutrinos ein 17-keV-Neutrino entstehen.
Eine Möglichkeit, wie das funktionieren könnte wäre die, das zunächst ein Elektron-Neutrino entsteht, das sich dann in das 17keV-Neutrino umwandelt. Solche Teilchenumwandlungen sind in der Physik nichts Neues – in den 50ern und 60ern bereitete den Physikern das neutrale K-Meson (Kaon) Kopfzerbrechen, weil es sich anscheinend ganz spontan in sein eigenes Antiteilchen verwandeln konnte. Diese Umwandlerei ist ein quantenmechanisches Phänomen.
Im Fall des Neutrinos kann man sich das so vorstellen: das Elektron-Neutrino ist das Teilchen, das zur Aussendung eines Elektrons gehört. Da die Unterscheidung zwischen Elektron, Myon und Tauon auch als “Flavor” (“Geschmack”) bezeichnet wird, gehört das Elektron-Neutrino also zum Elektron-Flavor – Physiker sagen, es ist ein quantenmechanischer Eigenzustand zum Flavor. Wenn es sich spontan in ein anderes Neutrino (das 17-keV-Neutrino) umwandelt, dann ändert es dabei seine Eigenschaften, es ist also nicht stabil. Aus der Unschärfe-Relation kann man daraus ableiten, dass die Masse des Elektronneutrinos nicht festliegt. Die Eigenzustände zur Masse sind also nicht gleichzeitig Eigenzustände zum Flavor.
Das ist die gute alte Unschärferelation aus der Quantenmechanik in etwas anderer Form: Messe ich den “Flavor” des Neutrinos (und das tue ich indirekt beim β-Zerfall, weil ich ja das Elektron beobachte), dann liegt seine Masse nicht fest. Messe ich seine Masse (oder Energie), dann wiederum ist der Flavor nicht eindeutig festgelegt. Das Elektron-Neutrino wäre in diesem Bild also eine Mischung aus einem leichten Neutrino (das kein Flavor-Eigenzustand ist) und dem 17-keV-Neutrino. Ein frei herumschwirrendes Neutrino in einem Energie-Eigenzustand wechselt deshalb seinen Flavor.
(Diesen Mechanismus gibt es übrigens tatsächlich – wie wir heute wissen, können sich Elektron-Neutrinos in Myon- oder Tauon-Neutrinos umwandeln.)
Man konnte sich also vorstellen, dass das Elektron-Neutrino sich in 1% der Fälle noch im Detektor in ein Tau-Neutrino umwandelt. Das wäre eine einfache und elegante Lösung des Problems. Leider geht das nicht ohne weiteres. Um das zu verstehen, werfen wir einen Blick auf den damaligen Wissensstand.
Neutrino-Forschung Anfang der Neunziger
Neben dem 17-keV-Neutrino hatte die Neutrino-Forschung Anfang der Neunziger Jahre noch ein anderes offenes Problem: Messungen der Sonnenneutrinos ergaben eine viel zu geringe Anzahl von Neutrinos. Da die Detektoren auf der Erde nur Elektronen-Neutrinos messen konnten, war eine Möglichkeit, dies zu erklären, dass sich die Elektronen-Neutrinos auf dem Weg von der Sonne zu uns umwandelten, in einem Misch-Mechanismus, wie ich ihn gerade erklärt habe.
Auch ob Neutrinos eine Masse haben, wusste man noch nicht. Die beiden Probleme hängen zusammen – masselose Neutrinos können sich nicht ineinander umwandeln. Anschaulich kann man sich das so erklären: Masselose Neutrinos fliegen mit Lichtgeschwindigkeit. Nach der Relativitätstheorie vergeht für sie selbst deswegen keine Zeit während des Fluges, also können sie sich auch nicht umwandeln. (Dieses Argument ist so theoretisch natürlich nicht ganz sauber, macht aber hier nichts.)
Interessant war auch die Beobachtung der Supernova 1987A. Dabei hatte man 24 Neutrinos auf der Erde detektiert – klingt nicht viel, aber wenn man zurückrechnet, wie weit die Erde von der Supernova entfernt war und wie klein die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein Neutrino tatsächlich im Detektor gemessen wird, dann stellt man fest, dass die Supernova tatsächlich den größten Teil ihrer Energie in Form von Neutrinos verliert.
Probleme mit dem 17-keV-Neutrino
Konnte das 17-keV-Neutrino einfach das Tau-Neutrino sein? Genauer gesagt, könnte das 17-keV-Neutrino ein Massenzustand sein, der im wesentlichen dem Tau-Flavor entspricht, mit einer kleinen Beimischung des Elektron-Flavors, weil sich Tau- und Elektron-Neutrino ja ineinander umwandeln müssen?
Aus den Daten der Supernova-Explosion konnte man ableiten, wie schnell die Supernova Energie abgestrahlt hatte. Wenn sich das Elektron-Neutrino in ein Tau-Neutrino umwandelt, und zwar mit 1% Wahrscheinlichkeit beim β-Zerfall, dann würden in der Supernova ziemlich viele Tau-Neutrinos entstehen. Ein Abgleich mit den Daten ergab, dass sich daraus eine Obergrenze für die Masse des Tau-Neutrinos ableiten ließ – sie lag bei 30keV, war mit den Daten also gerade noch verträglich.
Ein weiteres Problem ergab sich bei Überlegungen zum Urknall: Wenn dort 17-keV-Neutrinos mit großer Häufigkeit entstanden wären, dann hätte ihre Masse das Universum frühzeitig kollabieren lassen. Zusätzlich hätten sie die kosmische Hintergrundstrahlung beeinflusst – deren Spektrum müsste dann ganz anders aussehen als das gemessene. Das Problem kann nur gelöst werden, wenn das 17-keV-Neutrino selbst in andere Teilchen zerfallen kann.
Innerhalb des Standardmodells gibt es dafür zwar Möglichkeiten, aber die Lebensdauer des Tau-Neutrinos liegt im Standard-Modell um Größenordnungen über dem Alter des Universums, der Zerfall wäre also viel zu langsam, um den Kollaps des Universums gleich nach dem Urknall verhindern zu können.
Das Standardmodell muss also erweitert werden, das 17-keV-Neutrino beinhaltet auf jeden Fall neue Physik. Wenn es das Tau-Neutrino ist, dann braucht es neue Zerfallsmöglichkeiten. Wenn es nicht das Tau-Neutrino ist, was ist es dann?
Spekulationen
Foot und King bastelten ein Modell, in dem das 17-keV-Neutrino tatsächlich (im wesentlichen) das Tau-Neutrino ist. Damit es mit den Beobachtungen konsistent wurde, musste man noch ein paar weitere Teilchen einführen, die alle sehr schwer (über 200GeV) waren und deshalb experimentell nicht beobachtet wurden. Nebenbei erledigte das Modell gleich noch ein anderes Problem: Es bewies, dass die elektrische Ladung quantisiert sein musste.
Nobelpreisträger Glashow hatte ein ähnliches Modell, darin gab es sechs Neutrinozustände, die in komplizierter Weise gemischt waren. Das 17-keV-Neutrino konnte in sogenannte Majoronen zerfallen, das sind ungeladene und nahezu unbeobachtbare theoretische Teilchen. Ähnliche Modelle wurden in der Folgezeit in größerer Zahl aufgestellt, sie alle unterscheiden sich leicht darin, wie genau die unterschiedlichen Neutrino-Zustände gemischt werden.
Einige dieser Modelle erledigten das Problem der Sonnenneutrinos gleich mit – die Neutrinos wurden so gemischt, dass sie auf dem Weg von der Sonne zur Erde oszillierten und deshalb hier nicht alle gesehen werden.
Joshipura baute ein schönes Modell, in dem das 17-keV-Neutrino zwar anscheinend nicht das Problem der Sonnenneutrinos löste (leider habe ich nur Zugriff auf den Abstract, deswegen bin ich nicht ganz sicher, ob es dann nicht doch tut), aber immerhin für die berühmte dunkle Materie verantwortlich ist.
Papageorgiu und Ranfone untersuchten verschiedene Möglichkeiten. In einer davon zerfällt das 17-keV-Neutrino in ein weiteres hypothetisches Teilchen, das Axion. In einer anderen Veröffentlichung wurde geschaut, ob sich das 17-keV-Neutrino nicht in sogenannte GUT-Theorien (Grand Unified Theories) unterbringen ließ, die die elektroschwache und die starke Kraft miteinander vereinten und ohnehin dafür bekannt waren, einen Sack neuer Teilchen zu postulieren. Die Antworte lautete: Es geht, allerdings musste man schon eine Menge Zusatzannahmen einbauen, damit alles mit den Messungen konsistent war.
Eine ganz andere Idee involviert wieder andere hypothetische Teilchen, sogenannte “Leptoquarks”. Leptoquarks können Leptonen (also auch Neutrinos) in Quars umwandeln und umgekehrt. Sie tauchen in einigen GUT-Modellen auf und man kann sie anscheinend auch verwenden, um das 17-keV-Neutrino mit den Messungen unter einen Hut zu bekommen.
In mehreren Modellen ist das 17-keV-Neutrino eine Mischung aus einem Elektron-Neutrino und einem neuen Teilchen, einem “sterilen” Neutrino. Steril heißt es deshalb, weil es selbst überhaupt nicht mit Materie wechselwirkt. (Außer durch seine Masse.) Choudhury führt in einem Paper dazu ein paar neue Leptonenzustände ein, mit denen sich am Ende das 17-keV-Neutrino ergibt, das hinreichend schnell zerfällt, um Ärger mit den Experimenten zu vermeiden.
Vielelicht spielt ja auch die Allgemeine Relativitätstheorie irgendwie in das Problem hinein? Jedenfalls fand ich auch zwei Paper, in denen Planck-Effekte (also Effekte auf der Längenskala, bei denen Quanteneffekte der Gravitation wichtig werden) involviert waren. Gravitationseffekte auf der Planckskala sollten dabei für die Neutrino-Massen verantwortlich sein. Damit ergeben sich zunächst sehr kleine Neutrinomassen (deutlich kleiner als 1eV). Damit man auch noch das 17-keV-Neutrino unterbringt, muss wieder mal ein zusätzliches Teilchen eingeführt werden; das 17-keV-Neutrino ist dann ein Mischzustand aus dem Elektron-Neutrino und dem neuen Teilchen, das selbst mit Materie gar nicht wechselwirkt.
Alles in allem sieht man, dass es ziemlich viele Versuche gab, das 17-keV-Neutrino unterzubringen. Probleme wie beispielsweise der mögliche Kollaps des Universums oder die Neutrinos der Supernova wurden dadurch gelöst, dass die neue Physik, die jeweils entwickelt wurde, entsprechend angepasst wurde. Fairerweise muss man auch sagen, dass es auch negative Veröffentlichungen gab, in denen gezeigt wurde, dass bestimmte Modelle definitiv nicht funktionieren würden.
Wietfeldt und Norman kommen in ihrem Review zu folgendem Schluss.
It is a tribute to theoretical ingenuity that in spite of the severe constraints a number of viable, if somewhat contrived, models for the 17 keV neutrino were developed.
Man muss es dem theroetischen Scharfsinn anrechnen, dass trotz der schwierigen Randbedingungen eine Anzahl von brauchbaren, wenn auch etwas gekünstelten, Modelle für das 17-keV-Neutrino entwickelt wurden.
Das 17-keV-Neutrino und ich
Das 17-keV-Neutrino erlebte seine “Blütezeit” gerade als ich in Hamburg am DESY Diplom- und dann Doktorarbeit in der theoretischen Physik geschrieben habe.
Damals wurden Artikel (bevor sie in Zeitschriften veröffentlicht wurden) als sogenannte Preprints noch nicht über Server im Internet vorab an die Physikgemeinde verteilt, sondern in Papierform in der Welt herumgeschickt. Jeden Montag nach dem Mittagessen ging man in die Bibliothek und sichtete die neuen Preprints darauf, ob etwas Interessantes dabei war.
So erfuhr ich überhaupt zum ersten Mal von 17-keV-Neutrino. Nachdem ich angefangen hatte, darauf zu achten, bemerkte ich, dass es mindestens alle paar Wochen ein neues theoretisches Preprint zum 17-keV-Neutrino gab und dazu, wie es sich in die Physik einfügen ließ. Mir schien es, als könne jeder Theoretiker das neue Teilchen in seine ganz persönliche Lieblingstheorie so einbauen, dass es sich “ganz natürlich” ergibt – “natural” ist tatsächlich ein Wort, dass einem in den Theoriepapern hier öfters begegnet. Wenn ich meinen kurzen Überblick oben nochmal anschaue, dann war dieser Einduck so ganz falsch wohl nicht.
Als das Teilchen dann nicht existierte (ich weiß nicht mehr genau, wann ich das erfuhr, aber ich glaube, es war erst 1995 – experimentelle Preprints las ich nicht so häufig wie theoretische), machte mich das sehr nachdenklich. Ist es wirklich möglich, ein vollkommen beliebiges Teilchen in die Physik einzufügen, und keines der gängigen Modelle zur erweiterten Physik (GUTs, Supersymmetrien und was es da alles gibt) wird durch dieses Teilchen widerlegt? Und wenn das so ist, ist die theoretische Physik dann überhaupt noch eine echte Wissenschaft?
Diese Fragen, die heutzutage ganz ähnlich gern über die Stringtheorie gestellt werden, machten mir damals Sorgen – sind die Modelle der theoretischen Physik überhaupt falsifizierbar? Dass ich 1996 beschloss, statt theoretischer Physik lieber etwas anderes zu machen, hatte viele Gründe, aber einer davon war das 17-keV-Neutrino.
Nachdem ich in den letzten Tagen viele der damaligen Veröffentlichungen gründlicher gelesen und darüber nachgedacht habe, bin ich mir nicht sicher, ob ich damals nicht zu pessimistisch war. Wenn man ehrlich ist, steckt schon das Standardmodell voller willkürlicher Zahlen und Annahmen. (Im Verhältnis zu all dem, was es erklärt, ist es aber immer noch eine unglaublich gute Theorie). Das 17-keV-Neutrino auf die eine oder andere Weise einzubauen, fügt diesen Annahmen ein paar weitere hinzu. Insofern war meine Kritik am Standardmodell und seinen möglichen Erweiterungen vielleicht überzogen.
Schwieriger war es ja auch, das 17-keV-Neutrino so in die Theorie einzubauen, dass auch Daten der Supernova-Explosion 1987A und Modelle des Urknalls korrekt blieben. Dazu musste das 17-keV-Neutrino in seinen Eigenschaften bezüglich Lebensdauer etc. schon ziemlich stark eingeschränkt werden. Man muss den Theoretikern sicher zu Gute halten, dass sie sich aktiv bemühten, solche Einschränkungen zu finden und in ihren Modellen zu berücksichtigen. Wie es aussieht, gelang es ihnen, einige Modelle zu finden, die mit allen Beobachtungen im Einklang war. Ob alle diese Modelle tatsächlich hätten Bestand haben können, wenn man sie weiter untersucht hätte, scheint mir fraglich. Vielleicht hätte sich bei vielen von ihnen beim weiteren Erforschen gezeigt, dass sie doch ungelöste Probleme enthielten.
Letztlich ist es vermutlich ähnlich wie mit dem Fazit bei den experimentellen Arbeiten: Einzelne Theoretiker waren vielleicht zu optimistisch, was die Vereinbarkeit des neuen Teilchens mit ihrer persönlichen Lieblingstheorie anging. Ähnlich wie bei den Experimentalphysikern ist auch hier natürlich viel Ruhm zu ernten, wenn man als erster ein Teilchen in ein Modell integrieren kann. Einige der Veröffentlichungen hätten vielleicht einer zukünftigen Prüfung nicht Stand gehalten. Wäre das 17-keV-Neutrino nicht 1993 widerlegt gewesen, wären diese Veröffentlichungen weiter analysiert worden, Inkonsistenzen wären gefunden worden und letztlich hätte vielleicht nur ein Bruchteil der Modelle überlebt.
Auch hier zeigt sich wieder, dass Wissenschaft im Endeffekt nur im Wechselspiel zwischen Individuen funktioniert. Einzelne Wissenschaftler sind vielleicht über-enthusiastisch und ignorieren gelegentlich Probleme oder Inkonsistenzen – andere aber werden die Theorien prüfen, um sie zu verfeinern oder weiterzuentwickeln und dabei diese Probleme aufdecken. Bei den Experimenten zum 17-keV-Neutrino hat dieser Mechanismus, wie wir gesehen haben, sehr gut funktioniert, bei den Theorien hätte er vermutlich auch gegriffen, wenn das Teilchen überlebt hätte.
Hier ein paar der Veröffentlichungen – falls jemand die ganze Liste haben oder mit pdfs zugemüllt werden möchte, genügt eine mail…
Elena Papageorgiu and Stefano Ranfone
The mass-hierarchy puzzle and the 17 keV neutrino in the context of a Universal Seesaw Model
Elena Papageorgiu, Stefano Ranfone,
Neutrino masses in the flipped SU (5) x U (1) and the SU (4) x O (4) GUT model
Subhash Rajpoot
A Model for Simpson’s 17 keV Neutrino
R. Foot, S. F. King
Electric charge quantisation with a 17 keV neutrino,
L. Bento, J. W. F. Valle
The simplest model for the 17 keV neutrino and the MSW effect
Miriam Leurer
On the Unmixed 17 keV Neutrino
Eugeni Kh. Akhmedov, Zurab G. Berezhiani, Goran Senjanovic , Zhijian Tao
Planck Scale Effects In Neutrino Physics
Debajyoti Choudhury
Discrete Symmetry, Neutrino Magnetic Moment and the 17 keV Neutrino
Debajyoti Choudhury, Utpal Sarkar,
A new mechnism to generate a 17 keV neutrino
Sidney A. Bludman, . C. Kennedy and P. G. Langacker
Seesaw-model predictions for the τ-neutrino mass
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