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Sag, wo die Neutrinos sind…

Von / 29. Mai 2019 / 12 Kommentare
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ScienceBlogs.de-Leser Ingo wundert sich, was aus all den Neutrinos wird:

Mittlerweile gehört es ja zum Grundwissen, dass die Neutrinos relativ zahlreich (z.B bei Beta-Zerfällen) produziert werden, und danach (fast) nie mehr Wechselwirken, und auf diese Weise durch alles hindurchfliegen und so (fast) von niemanden wahrgenommen werden.

Die Frage: Wie werden die Neutrinos denn vernichtet? Wenn immer nur neue Neutrinos erzeugt werden, aber (fast) nirgendswo vernichtet werden,- dann müsste es im Laufe der Zeit immer mehr davon geben, bis irgendwann alles nur noch aus Neutrinos besteht. Das kann doch so nicht sein.

Gruss
Ingo

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Kommentare (12)

  1. #1 alex
    29. Mai 2019

    Zunächst einmal entstehen bei Prozessen, bei denen Neutrinos erzeugt werden, nicht ausschließlich Neutrinos. Beim Beta-Minus-Zerfall wird z.B. aus einem Neutron ein Proton, ein Elektron, und ein Elektron-Antineutrino. Und es gibt Teilchen, die für sich alleine stabil sind, also nicht in andere Teilchen zerfallen (auch nicht in Neutrinos). Elektronen und Positronen wären ein Beispiel, Protonen möglicherweise ein weiteres (es wird zwar vermutet, dass Protonen nicht stabil sind, aber experimentell beobachtet wurde das noch nie).

    Aus diesen beiden Gründen stimmt es also nicht, dass irgendwann alles aus Neutrinos besteht, selbst wenn Neutrinos nie vernichtet würden.

    Und es gibt auch Prozesse bei denen Neutrinos vernichtet werden. Dazu gehören diejenigen, mit denen man Neutrinos nachweist, also z.B. der inverse Beta-Zerfall, bei dem ein Elektron-Antineutrino und ein Proton in ein Positron und ein Neutron umgewandelt werden.

  2. #2 Dirk Freyling
    Erde
    29. Mai 2019

    Herr Schönstein,
    Sie schreiben über Neutrinos. Was wissen Sie konkret über Neutrinos? Es besteht Erklärungsbedarf. Ich habe „sozusagen“ Aufgaben für Sie.

    Zum Neutrino: Das Neutrino wurde historisch eingeführt da das Energiespektrum der (emittierten) Elektronen beim Beta-Minus-Zerfall keine diskrete sondern eine kontinuierliche Verteilung zeigt. Doch wenn das Anti-Elektron-Neutrino, mit welcher unteren Massegrenze auch immer, die „fehlende“ Energie aus dem Laborsystem „entführt“ und nur durch die Schwache Wechselwirkung (effektiv*) „wirken“ kann, dann bedeutet das schlicht und ergreifend, daß bereits bei dem Prozess der Schwachen Wechselwirkung ein kinetisches Energie-Kontinuum des postulierten Neutrinos vorhanden sein musste. Denn nach diesem Prozess gibt es gemäß Postulat keine weitere Wechselwirkungsmöglichkeit. Nur wie soll dies phänomenologisch erklärt werden?

    * da die postulierte Graviationswechselwirkung hier nicht “ins Gewicht fällt”

    Die lapidare Aussage des SM, daß der Beta-Minus-Zerfall des Neutrons gemäß Umwandlung eines d-Quarks in ein u-Quark, mittels negativ-geladenen W-Bosons stattfindet sagt nichts über den konkreten Ablauf aus, wie, woher und warum das Anti-Elektron-Neutrino nun während der Schwachen Wechselwirkung unterschiedliche Energiemengen aufnimmt um die „fehlende“ Energie im Elektronenspektrum zu kompensieren.

    Bei genauer Betrachtung ist die Situation weitaus komplexer, da sowohl postuliert Quarks basierendes Neutron als auch das Quarks basierende Proton zu ~ 99% aus Bindungsenergie (postulierte Gluonen, Sea-Quarks) besteht und sich die Schwache Wechselwirkung (energetisch) somit nur auf ~ 1% des Zerfallsprozesses** auswirkt.

    [**Teilchenphysiker benutzen generell den phänomenologisch falschen Begriff Zerfall, obwohl sie Umwandlungen meinen. Zerfall würde bedeuten, die Zerfallsprodukte waren (allesamt) Bestandteile des Zerfallenden. Dem ist aber nicht so, zumindest nicht im Rahmen der theoretischen Implikationen und Postulate des Standardmodells der Teilchenphysik.]

    Die Masse des d-Quarks beträgt 4,8 (+0,5 / – 0,3) MeV/c², die Masse des u-Quarks beträgt 2,3 (+0,7 / – 0,5) MeV/c². Das bedeutet, der Massenunterschied beträgt zwischen 1,5 bis 3,5 MeV/c². Das Elektron-Anti-Neutrino mit einer Masse(nuntergrenze) von ≤ 2.2 eV/c² (https://pdg.lbl.gov/2013/tables/rpp2013-sum-quarks.pdf) kann maximal ~ 0,78 MeV aufnehmen. Gemäß Elektronenenergiespektrum ist die mittlere Energie aber deutlich kleiner als 0,78 MeV, die vom Neutrino “aus dem Laborsystem entführt wird”. Was ist mit der fehlenden Energie der Schwachen Wechselwirkung geschehen? “Gluonische Bindungsenergie” kann es nicht geworden sein, da Gluonen nicht an der postulierten Umwandlung eines d-Quarks in ein U-Quark teilhaben. Auch das postuliert virtuelle ~ 80,4 GeV/c² schwere W-Boson kann real-energetisch nichts aufnehmen. Hier gilt mehr denn je die Aussage von Richard Feynman: “Es ist wichtig, einzusehen, dass wir in der heutigen Physik nicht wissen, was Energie ist.“

    Wir haben also im Bild des SM anfangs 1 u-Quark und 2 d-Quarks, zwischenzeitlich ein virtuelles W-Boson und ~ 99% Bindungsenergie (was das auch immer phänomenologisch sein soll) und nach der Umwandlung 2 u-Quarks, 1d-Quark, 99% Bindungsenergie, 1 Anti-Elektron-Neutrino, 1 Elektron und zusätzlich ~ 0,78 MeV Energie. Egal wie die Energieverteilungsmöglichkeiten der ~ 0,78 MeV auf Proton (2 u-Quarks, 1d-Quark, 99% Bindungsenergie), Elektron und Anti-Elektron-Neutrino auch aussehen mögen, der Prozess der Schwachen Wechselwirkung müsste bereits so geartet sein, daß diese Verteilungsmöglichkeiten gewährleistet sind, da nach der Schwachen Wechselwirkung keine Energieabgabe des Neutrinos an das Proton und Elektron mehr möglich ist. Das bedeutet aber, daß es keinen diskreten Umwandlungsprozess eines d-Quarks in ein u-Quark geben kann.

    Nicht Diskret bedeutet hier insbesondere:
    Es existiert energetisch kein verbindlicher Prozess der Umwandlung eines d-Quarks in ein u-Quark. Aus einem Neutron-u-Quark entstehen durch die Schwache Wechselwirkung energetisch unterschiedliche Elektron-Anti-Neutrinos, da ja nach der Entstehung außer der Schwachen Wechselwirkung weitere Wechselwirkungsmöglichkeiten ausgeschlossen werden. Somit existiert keine energetisch eindeutige Umwandlung eines u-Quarks in ein d-Quark.

    Wie erklären Sie sich das?

    Losgelöst von dieser Problematik sei der Vollständigkeit halber auch daran erinnert, daß es sich experimentell nicht um Einzelobjekte sondern um Vielteilchenobjekte (mehr als 1 Neutron) handelt und beschleunigte Ladungen Energie abstrahlen. Es ist wohl nicht davon auszugehen, daß die entstandenen Protonen und Elektronen „plötzlich“ mit einer konstanten Geschwindigkeit vorliegen. „Wo“ ist das assoziierte Photonenspektrum des Beta-Minus-Zerfalls? Wie sieht es aus?

  3. #3 Jürgen Schönstein
    29. Mai 2019

    @Dirk Freyling
    Nur um Missverständnisse zu vermeiden: Ich habe zwar das Wort “Neutrinos” geschrieben (einmal in der Überschrift, einmal im einleitenden Satz), aber ich habe nicht über Neutrinos geschrieben, sondern eine Leser-Frage hier veröffentlicht. Wenn Ihre lange Mail als Antwort auf die Frage gedacht war, dann vielen Dank! (Und wenn Sie schreiben, dass hier “Erklärungsgbedarf” besteht – genau! Denn das ist exakt die Motiviation für diese Rubrik: Erklärungsbedarf zu berfriedigen.)

  5. #5 Ingo
    30. Mai 2019

    @#1
    An den inversen beta-zerfall hatte ich auch gedacht. Er findet aber wesentlich seltener statt als der beta-zerfall.
    Die frage bleibt also: steigt die anzahl der neutrinos im universum an?

  6. #6 Braunschweiger (DE)
    30. Mai 2019

    @Ingo:
    Warum “kann [es] doch so nicht sein”, dass immer mehr Neutrinos erzeugt werden? — Was spricht dagegen, dass eine Anzahl Neutrinos entstehen und dann genauso wie Photonen des Lichts potenziell unendlich in die eingeschlagene Richtung driften? — Die aufgrund des Urknalls entstandene Hintergrundstrahlung existiert ja auch (immer noch) so vor sich hin, bis sie mal irgendwo aufgefangen wird.

    Um eine Vorstellung über den “Verbrauch” an Materie und Energie für Neutrinos zu bekommen, müsste man fragen (und beantworten können), wie denn das zahlenmäßige Verhältnis der Neutrinoerzeugung zu den vorhandenen Protonen, Neutronen usw. steht. Welchen Masse– oder Energieanteil haben Neutrinos denn gegenwärtig am Universum? — Und wie sieht es vergleichsweise mit allen Arten von Photonen aus?

    Man kann natürlich leicht die eine Frage zu anderen Fragen umverlagern, die die Wissenschaft im Moment (auch) nicht beantworten kann. Etwa u.A.:   Zerfällt das Neutrino vielleicht irgendwann spontan, hat es also eine Lebensdauer? — Wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist, werden sie sich regelmäßig annihilieren, falls denn mal zwei aufeinandertreffen? — Und wo bleibt die dann entstehende Energie, oder hat die vielleicht etwas mit der Dunklen Energie zu tun?

    Die Fragen werden wohl erst mal bestehen bleiben.

  7. #7 MartinB
    30. Mai 2019

    Es spricht erstmal nichts dagegen, dass die Zahl der Neutrinos im Universum immer größer wird. Wie schon angemerkt, entstehen ja immer auch andere teilchen – es wird also nie alles aus Neutrinos bestehen.
    Eine andere Frage ist, wie es mit der Dichte der neutrinos aussieht – selbst wenn es immer mehr davon gibt, dehnt sich das Universum ja auch aus und man müsste wissen, welcher Prozess schneller ist. Je nach Expansionsszenario ist das meiner Ansicht nach unklar: wenn die Ausdehnung immer schneller wird, dann wird die Dichte der Neutrinos irgendwann zwangsläufig abnehmen.

    Im übrigen können Neutrinos auf jeden Fall auch von Schwarzen Löchern absorbiert werden, dann sind sie auch verschwunden.

  8. #8 rolak
    30. Mai 2019

    ~was spricht dagegen?

    Oh wie praktisch^^ da telefonierste nur mal eben ganz kurz ein ¾stündchen mit ner Bekannten und zack – hat sich das siwotiAntworten auf wundersame Weise erledigt :•)

  9. #9 alex
    30. Mai 2019

    @Ingo:
    Derzeit steigt die Zahl der Neutrinos im Universum sicherlich an.

    Wenn sich das Universum nicht ausdehnen würde (und wir mal alle weiteren Prozesse vernachlässigen, auch dass Teilchen in Schwarze Löcher fallen können), dann würde sich asymptotisch ein Zustand einstellen, bei dem sich Betazerfall und inverser Betazerfall die Waage halten. Ohne die Rechnung durchgeführt zu haben, würde ich vermuten, dass das bei einem Universum, das sich so ausdehnt wie unseres, nicht passiert.

  10. #10 tomtoo
    30. Mai 2019

    Sag wo die Neutrinos sind, wo sind sie geblieben?
    Die Expansion nahm sie geschwind…?

  11. #11 UMa
    31. Mai 2019

    Hallo Ingo,

    von normalen Sternen und Supernovae werden eine große Anzahl von Photonen (Licht) und Neutrinos abgegeben. Bei Sternen überwiegt das Licht bei Supernovae die Neutrinos.

    Auf diese Weise werden immer mehr Photonen und Neutrinos erzeugt und nur selten wieder zerstört. Also werden es immer mehr.

    Allerdings verschwinden diese in den Weiten des Weltraums und treffen nur selten auf irgend etwas. Deren Energie nimmt letztlich durch die Expansion des Raumes ab, d.h. sie kühlen ab.
    Außerdem nimmt ihre Anzahl pro Volumeneinheit durch die Expansion immer mehr ab.

    Aber im Vergleich zur Anzahl der schon vorhandene Hintergrundstrahlung, ist die Anzahl der zusätzlich erzeugten Photonen und Neutrinos klein.
    Wenn man sich mal die Milchstraße weg denkt, ist es im Weltraum sehr dunkel. Den größten Anteil der Photonen hat die kosmische Hintergrundstrahlung, welche aber seit ihrer Entstehung von fast 3000 K auf 2.725 K durch die Expansion abgekühlt ist und daher vom sichtbaren in den Mikrowellenbereich verschoben wurde.
    Ähnliches gilt auch die kosmischen Neutrinos.

    Für jedes Baryon (Proton oder Neutron) gibt es mehr als eine Milliarde Photonen der Hintergrundstrahlung und ebenfalls eine ähnlich große Anzahl an kosmischen Neutrinos.

    Die Photonen (Licht) und die Neutrinos, die im Vergleich dazu in den Galaxien erzeugt werden, sind im Vergleich dazu sehr wenige.

    Auch wird durch Sterne und Supernovae nur ein kleiner Teil deren Masse in Photonen oder Neutrinos umgewandelt.

  12. #12 stone1
    31. Mai 2019

    @tomtoo

    The answer is blowing in the solar wind. ; )