Warum beeinflusst das Neutrino unser Weltmodell?

Das Standardmodell der Teilchenphysik wurde durch den Kanadier Arthur McDonald und den Japaner Takaaki Kajita um fundamentale Erkenntnisse erweitert, dafür bekamen beide 2015 den Physik-Nobelpreis. Mit ihren Forschungen widerlegten sie die jahrzehntelang geltende Annahme, Neutrinos seien völlig masselos. Übrigens ist diese höchste Auszeichnung für Physiker mit einem Preisgeld von acht Millionen Schwedischen Kronen verbunden, das sind umgerechnet circa 850.000 Euro.

Aber was sind eigentlich Neutrinos

Wenn von Elementarteilchen die Rede ist, erinnern sich einige vielleicht noch an ihren Schulunterricht und wissen zu berichten, dass ein Atom in seinem Kern aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen aufgebaut ist, wobei die Hülle des Atoms aus einer ganzen Wolke von negativ geladenen Elektronen besteht. Wer ein gutes Zahlengedächtnis hat, weiß auch noch, dass ein Proton oder Neutron gut 1.800 Mal massereicher als ein Elektron ist. Doch das ist nur ein bescheidener Anfang, wenn wir den artenreichen Zoo der Elementarteilchen betrachten wollen.

Antimaterie ist, salopp gesagt, das Gegenteil von Materie. Die Protonen im Atomkern sind negativ geladene, relativ schwere Teilchen und die Elektronen werden treffend als Positronen bezeichnet, da diese eben eine positive Elementarladung tragen. Wenn ein Atom herkömmlicher Materie auf ein Atom aus dem Universum der Antimaterie trifft, verschmelzen beide instantan in einem riesigen Energieblitz. Der Elektriker wäre vielleicht geneigt, von einem Materiekurzschluss zu sprechen, bei dem übrigens viele Neutrinos gebildet werden.

Neutrinos sind „überwinzig“ und galten bislang als absolut masselos, sodass sich die Teilchen-Physiker immerzu den Kopf darüber zerbrachen, mit welcher Methode man solche „Geisterteilchen“ eigentlich nachweisen könnte. Der Nachweis eines Elementarteilchens funktioniert nämlich nur über irgendeine Art von messbarer Wechselwirkung mit einem anderen Elementarteilchen. Tatsächlich sind Neutrinos überall vorhanden und durchdringen mühelos jede dichte Materie. Sie sausen also auch permanent durch den Erdkern hindurch.

Wie lassen sich Geisterteilchen überhaupt nachweisen?

Geisterjäger haben es nicht immer leicht, dennoch haben es die Teams um die preisgekrönten Forscher geschafft, Neutrinos „dingfest zu machen“. Jeder kennt das von der Teilchenphysik: je kleiner das Teilchen, das manchmal nur für Bruchteile von Nanosekunden nachgewiesen werden soll, desto gigantischer die Messanlage. Die Physiker mussten für die Neutrinos riesige, unterirdische, mit Wasser gefüllte und an den Wänden mit Tausenden Detektoren ausgestattete „Geisterfallen“ bauen lassen.

Manchmal gibt es eine Teilchenkollision

Dann hieß es „Warten auf Godot“, denn die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutrino exakt zentral einen Atomkern im Wasser trifft, ist ziemlich gering. Nur bei solchen äußerst seltenen Zusammenstößen entstehen andere, nachweisbare Elementarteilchen beziehungsweise Quanten. Man kann sich das so vorstellen, als würden bei so einem Zusammenstoß Trümmerteile entstehen, die die Wissenschaftler gern auffegen, wobei an diesen Materieresten „Lackspuren“ des Geisterfahrers haften geblieben sind.

Sind alle Neutrinos gleich?

Die Forschungen der Teams um Takaaki Kajita und Arthur McDonald brachten erstaunliche Ergebnisse zutage. Es gibt verschiedene Sorten von Neutrinos, mehr noch, jedes einzelne Neutrino kann nach Lust und Laune seine Sorte ändern, als würde es sich während rasanter Fahrt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ein anderes Sakko anziehen. Davon kann unsere Formel-1 nur träumen. Viele sehen daher in dem Geisterteilchen zugleich auch so etwas wie ein Chamäleon des Weltalls.

Warum beeinflusst das Neutrino unser Weltmodell?

Aus physikalischer Sicht ist aber ein solcher Sortenwechsel prinzipiell nur dann möglich, wenn das Teilchen eine Masse größer als null hat. Zwar ist seine Masse extrem gering, aber es ist eben doch eine vorhanden. Die Erkenntnis über den Sortenwechsel ist zugleich der Nachweis der Neutrinomasse. Dies stellt insofern eine Revolution für unser Weltmodell dar, weil es so unendlich viele Neutrinos gibt, die zudem ständig nachgeliefert werden. Das Masse-Integral über alle Neutrinos fällt daher so richtig ins Gewicht, denn es macht unser Universum insgesamt deutlich schwerer als zuvor postuliert.