Atmosphärische Neutrinos

Die Atmosphäre der Erde ist einem kontinuierlichem Beschuß kosmischer Teilchen ausgesetzt. Die Mehrzahl dieser Teilchen besteht aus stabilen Kernen, wobei davon Protonen den dominanten Anteil ausmachen. Treffen diese Kerne auf Atome der obersten Schichten unserer Atmosphäre, kommt es zu kernphysikalischen Reaktionen, bei denen geladene Mesonen entstehen. Mesonen sind Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark zusammengesetzt sind. Diese Mesonen sind instabil. Sie zerfallen durch die schwache Wechselwirkung in leichtere Leptonen. Der häufigste Zerfallskanal ist jener des geladenen Pions:

p⁺ -> m⁺ + n_m und  p^- -> m^- + n_m^c.

Dabei entstehen geladene Myonen (m⁺ und m^- ) und die dazu gehörenden Neutrinos, die sogenannten "Myon-Neutrinos". Dabei wird bei dem Zerfall des negativ geladenen Pions das sogenannte Anti-Neutrino gebildet. Die geladenen Myonen können in großer Anzahl die Erdoberfläche erreichen. Der Fluß der Myonen auf Meereshöhe ist mit ca. 100 pro Sekunde auf einem Quadratmeter Fläche recht hoch und in der Tat stellen die kosmischen Myonen einen beträchtlichen Anteil der radioaktiven Belastung von Menschen dar.

Viele Myonen erreichen aber die Erdoberfläche nicht. Auch sie sind instabil (die Lebensdauer beträgt im Mittel 2,2 msec) und zerfallen in Elektronen und weiteren Neutrinos:

m⁺ -> e⁺ + n_e + n_m^c   und  m^- -> e^- + n_e^c + n_m .

Mit den Elektronen gekoppelt entstehen hier auch sogenannte "Elektron-Neutrinos". 

Insgesamt entstehen also pro Zerfall (z.B. beim p⁺ Zerfall) insgesamt jeweils 2 Myon-Neutrinos und 1 Elektron-Neutrino, wobei wir auf die Unterscheidung zwischen Neutrinos und Anti-Neutrinos nicht weiter achten wollen. Diese Teilchen nennt man "atmosphärische Neutrinos". 

Kann man die atmosphärischen Neutrinos erfassen?

Während man geladene Teilchen, wie die oben beschriebenen Pionen, Myonen und Elektronen relativ leicht experimentell erfassen kann, tut man sich mit Neutrinos beträchtlich schwerer. Der Grund liegt darin, daß die neutralen Neutrinos (daher rührt ihr Name) nur sehr selten mit Materie wechselwirken. Der weitaus größte Anteil durchdringt selbst die gesamte Erde, ohne abgelenkt oder absorbiert zu werden.  Aber eben nicht alle. Alle Natur-"Gesetze"  sind nämlich von stochastischer Art. Über jeden Prozeß kann man in der Quantenmechanik nur etwas über die Wahrscheinlichkeit lernen, daß dieser Prozeß (z.B. oben genannte Zerfälle oder Teilchenreaktionen) auch wirklich auftritt. So kann sich auch ein Neutrino, selten genug für den Experimentalphysiker, durch eine Reaktion "verraten":

n_m + N -> m + X  und  n_e + N -> X + e.

Hier soll angedeutet werden, daß ein Neutrino mit irgendeinem Kern N so reagiert, daß irgendein anderer Kern X und das zum Neutrino dazu gehörende geladene Lepton (Myon oder Elektron) entsteht. Welche Kerne da als Zielscheibe benutzt werden und welche hier entstehen, interessiert jetzt nicht so sehr. Wichtig ist, daß ein Myon-Neutrino ein Myon und ein Elektron-Neutrino ein Elektron erzeugt. Diese geladenen Teilchen kann man nun in der Tat in sogenannten Detektoren erfassen.

SuperKamiokande

Der zur Zeit bedeutendste Detektor für den Nachweis atmosphärischer Neutrinos befindet sich in den japanischen Alpen in der Mine Kamioka. Das Prinzip des Detektors ist sehr einfach. Er besteht aus einem großen Zylinder, der mit Wasser höchster Reinheit gefüllt ist. Nachgewiesen werden die von Neutrinos erzeugten Myonen und Elektronen durch den sogenannten Cherenkoveffekt. Bei den oben beschriebenen Reaktionen wird der größte Anteil der Energie der Neutrinos auf die leichten Myonen und Elektronen übertragen. Sie sind so energiereich, daß ihre Geschwindigkeit die des Lichts im Medium (hier Wasser) übertrifft. Dann aber wird von diesen Teilchen in einer Schockfront Licht abgestrahlt, das von sehr empfindlichen Instrumenten (sogenannte Photovervielfacher) gemessen werden kann. Der Effekt kann verglichen werden mit dem Überschnallknall eines Jets, der sich entwickelt wenn das Flugzeug die Schallmauer durchbricht, also schneller fliegt als der Schall.

Der gesamte Detektor befindet sich ca. 1000 Meter unter der Erdoberfläche in der Mozumi Mine der "Kamioka Mining and Melting"-Kooperation. Dies ist notwendig um den Detektor vor der oben beschriebenen kosmischen Strahlung zu schützen, die sonst so viele Lichtsignale erzeugen würde, daß man die so seltenen Neutrinosignale davon nicht mehr unterscheiden könnte.

Da sich die Schockfront des Cherenkov-Lichts kegelförmig ausbreitet kann man aufgrund des gemessenen Musters die Spur des geladenen Myons oder Elektrons rekonstruieren. Das ist wichtig, weil man damit auch die Richtung des Neutrinos weiß, das diese Reaktion hervorgerufen hat. SuperKamiokande ist ein Neutrino-Teleskop!

Aus der Menge des registrierten Lichts kann man die Energie des Teilchens errechnen und eine Analyse des diffusen Lichtkranzes um den Ring verrät dem Physiker, ob es sich um ein Elektron oder ein Myon gehandelt hat. Elektronen sind nämlich leichter als Myonen und streuen deshalb stärker in Wasser. Deshalb ist ihr Cherenkovkegel viel "verwaschener" als der von Myonen. Man kann also experimentell zwischen Myonen und Elektronen unterscheiden!

Neutrinos in der Identitätskrise?

SuperKamiokande nimmt seit April 1996 Daten. Schon früher wurden atmosphärische Neutrinos gemessen; so im Vorläuferexperiment Kamiokande, in Amerika und auch in Europa im Frejus-Tunnel zwischen Frankreich und Italien. Diese kleineren Detektoren waren in ihrer Statistik beschränkt. Die Daten mancher Experimente deuteten aber an, daß atmosphärische Neutrinos einen interessanten Effekt zeigen könnten, den man spaßeshalber wohl als "Identitätskrise von Neutrinos" bezeichnen könnte. Allerdings waren die Daten nicht sehr aussagekräftig und dies förderte die Geburt von SuperKamiokande.

Analysiert man die Daten atmosphärischer Neutrinos, sollte man wie oben erläutert erwarten, daß das Auftreten von Myon-Neutrinos zweimal häufiger ist als jenes von Elektronneutrinos. Dies ist in der Tat der Fall wenn man die Neutrinos betrachtet, die von "oben", also aus Distanzen von ca. 10km bis 30km kommen. Hier ist also alles in Ordnung; ganz anders aber liegt der Sachverhalt für Neutrinos, die viel weitere Wegstrecken zwischen Entstehung und Detektion zurücklegen müssen. Atmosphärische Neutrinos, die zum Beispiel auf der gegenüberliegenden Seite der Erdkugel entstehen und ca. 13.000km zurücklegen (dafür brauchen sie ca. 0,04 Sekunden), weisen eine Anomalie auf, die nun mit SuperKamioknde einwandfrei belegt wurde: Die Myon-Neutrinos scheinen zu verschwinden!

Dieser Effekt ist übrigens kontinuierlich. Wie erläutert ist SuperKamiokande ein Neutrino-Teleskop und man kann die Richtung aus der das Teilchen kam, bestimmen. Mit der Richtung ist aber auch die Entfernung festgelegt. Die Unsicherheit, daß man nicht genau weiß wo das Neutrino in der Atmosphäre entstanden ist, fällt bei den großen Distanzen nicht ins Gewicht.

Aus den Daten ist nun ersichtlich, daß das Verschwinden der Myon-Neutrinos um so ausgeprägter ist, je größer die Distanz zwischen Entstehungs- und Detektionsort ist. Die Neutrinos scheinen ihre Identität um so leichter zu vergessen je länger sie unterwegs sind. Wie ist das erklärbar?

Neutrino-Oszillationen

Seit geraumer Zeit ist bekannt, daß neben dem Myon- und Elektron-Neutrinos noch eine dritte Art, das sogenannte Tau-Neutrino n_t existiert.

In der Theorie der Teilchenphysik wurde diese Umwandlung schon in den 60er Jahren von Pontecorvo als "Neutrinooszillationen" vorgeschlagen. Dabei verändert ein Neutrino während seiner Bewegung durch den Raum kontinuierlich seine Art. Es "schwingt" vom Ausgangszustand in den fremden "flavour" und zurück. Die Frequenz wird dabei von der Massendifferenz der Neutrinozustände bestimmt. Neutrinooszillationen bedeuten also, daß Neutrinos Masse besitzen müssen. Dies ist zum einen von weitreichender Bedeutung für die Teilchenphysik, zum anderen kann es aber auch für die Kosmologie wichtig sein, da kurz nach dem Urknall eine ungeheure Anzahl an Neutrinos in das Universum geschleudert wurde. Besitzen diese Neutrinos nun Masse, könnten sie die Entwicklung des Kosmos bestimmen.

Die experimentellen Ergebnisse von SuperKamiokande deuten nun sehr stark auf die Existenz solcher Neutrino-Oszillationen hin. Offensichtlich verwandeln sich die auf der anderen Seite der Erde erzeugten Myonneutrinos in eine andere Art. Für jene, die direkt "oberhalb" von SuperKamiokande entstehen und die schon nach ca. 10km den Detektor erreichen, genügt die Zeit nicht zur Umwandlung. Deshalb "sieht" der Detektor die Myonneutrinos von oben wie erwartet.

Aus detaillierten Analysen gibt es deutliche Hinweise, daß die Umwandlung in jene der dritten Art, also in

Tau-Neutrinos erfolgt. Da man die Energien der neutrinos kennt und auch den Weg den sie für eine Oszillation brauchen, kann man nun, in gewissen Grenzen, das Quadrat der Massendifferenz dieser Neutrinoarten berechnen. Diese Massen-Differenz sollte der Analyse zufolge so ungefähr zwischen 0,001 (eV)² und 0,005 (eV)² liegen.

Zur Zeit wird darüber diskutiert wie man diese Beobachtung bestätigen könnte. Es besteht die Absicht einen künstlichen Neutrinostrahl am CERN bei Genf zu erzeugen, den man an da unterirdische Neutrinolabor Gran Sasso in Italien lenkt. Die Distanz beträgt ca. 740 km und mit der richtigen Einstellung der Neutrinoenergie sollte man in der Lage sein die Neutrino-Oszillation abzutasten. Ein ähnliches Experiment in Japan ist bereits dabei Daten zu nehmen. Hier wird ein Neutrinostrahl vom KEK-Beschleuniger an SuperKamiokande gelenkt.

Erste Daten scheinen die Oszillationen atmosphärischer Neutrinos zu bestätigen. Auf Veröffentlichungen in der nächsten Zeit darf man gespannt sein!