Neutrinos

In der einfachsten Form des Standard-Modells nimmt man an, dass alle Neutrinos masselos sind. Alle Versuche, die Neutrinomassen direkt zu bestimmen, z. B. durch Untersuchung von radioaktiven Zerfällen, ergaben, dass die Masse des Elektron-Neutrinos kleiner als 3 eV ist. Die Messungen von Neutrino-Oszillationen, d. h. der Umwandlung von einer Neutrinoart in eine andere, ermöglicht es, die Unterschiede zwischen den Neutrinomassen sehr genau zu bestimmen, da die Wahrscheinlichkeit der Umwandlung von der Massendifferenz der Neutrinoarten abhängt. Die Entdeckung von Neutrino-Oszillationen ist daher ein direkter Hinweis, dass Neutrinos eine Masse haben und dass sich die Massen von Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino unterscheiden.

Winkelverteilung des Flusses atmosphärischer Neutrinos...

Bildbeschreibung:

Abb. 1. Von unten kommen weniger Neutrinos als erwartet. Das Bild zeigt die Winkelverteilung des Flusses atmosphärischer Neutrinos, die im Detektor Elektronen (links) oder Myonen (rechts) erzeugen. Für die von unten kommenden Neutrinos ist cos negativ. Die Messdaten sind getrennt nach kleinen (oben) und großen (unten) Impulsen der erzeugten Teilchen. Die roten Linien zeigen den erwarteten Fluss für den Fall, dass keine Neutrino-Oszillationen stattfinden, die schwarzen Kurven für den Fall, dass sich die Myon-Neutrinos in unbeobachtete Tau-Neutrinos umwandeln.

In den vergangenen Jahren wurden detaillierte Studien zur Neutrino-Oszillation an Reaktoren und Beschleunigern durchgeführt. Mit dem Detektor Super-Kamiokande in Japan, der Neutrinos aus der Sonne und aus der Erdatmosphäre in einem unterirdischen Wassertank nachweist, konnten 1998 erstmals klare Hinweise für eine Oszillation gefunden werden. Bei der Messung atmosphärischer Myon-Neutrinos, die durch Stöße und Zerfälle der kosmischen Strahlung in der oberen Luftschicht entstehen, zeigte sich, dass weniger Neutrinos von unten, also durch die Erde kommen als von oben (s. Abb. 1). Die wahrscheinlichste Erklärung dafür ist, dass sich die Myon-Neutrinos auf ihrer langen Flugstrecke durch die Erde in Tau-Neutrinos umwandeln, die Super-Kamiokande nicht nachweisen kann. Dieses Resultat hat weltweit viele neue Experimente angeregt, darunter solche, in denen hochenergetische Neutrinostrahlen mit Beschleunigern erzeugt und auf weit entfernte unterirdische Detektoren gerichtet werden.