Wissenschaftler entdecken Geisterteilchen mit 10 Milliarden Mal der Energie von Sonnenneutrinos, können aber immer noch nicht erklären, woher sie kommen

Neutrinos sind die ungeselligsten Teilchen des Universums. Sie strömen durch die Erde, durch unsere Körper und auf der anderen Seite wieder hinaus, als wäre nichts geschehen – weil für sie fast nichts geschieht. Diese unsichtbaren Teilchen gehören zu den am schwersten nachweisbaren Dingen, die existieren, doch Wissenschaftler finden immer wieder Wege, Beweise für ihren Durchgang zu erhaschen und neue Fenster zum Kosmos und seinen extremsten Umgebungen zu öffnen.

Das Feld war bemerkenswert produktiv für etwas, das auf Teilchen aufbaut, die sich weigern, mit irgendetwas zu interagieren. Die Neutrinoforschung hat zu fünf Nobelpreisen in Physik beigetragen. In diesem Jahr erhielt der Physiker Francis Halzen die Auszeichnung „für entscheidende Beiträge zum IceCube-Neutrino-Observatorium und die Entdeckung hochenergetischer Neutrinos astrophysikalischen Ursprungs“.

George Fuller, Distinguished Professor für Physik an der University of California San Diego, hat Jahrzehnte mit dem Studium der Kernphysik, Teilchenastrophysik und Kosmologie verbracht. Er arbeitete auch mit Halzen an einem frühen wissenschaftlichen Artikel über IceCube zusammen. Seine Expertise hilft zu erklären, was Neutrinos so ungewöhnlich macht – und warum Wissenschaftler ein riesiges Observatorium tief im antarktischen Eis bauten, um sie zu untersuchen.

Neutrinos gehören zu einer Gruppe, die als Elementarteilchen bekannt ist und von denen Wissenschaftler glauben, dass sie keine kleineren Bestandteile haben. Sie kommen in drei Varianten vor: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Anders als elektrisch geladene Teilchen haben Neutrinos keine elektrische Ladung. Sie haben zwar Masse, aber diese ist außerordentlich klein – potenziell etwa 10 Millionen Mal geringer als die Masse eines Elektrons. Ihre genauen Massen bleiben unbekannt, ebenso wie der Mechanismus, der für ihre Entstehung verantwortlich ist.

Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft ist ihre Fähigkeit, Materie mit nahezu keinem Widerstand zu durchdringen. Weil Neutrinos so selten mit anderen Teilchen interagieren, können sie riesige Entfernungen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zurücklegen.

Neutrinos stammen aus vielen verschiedenen Orten, darunter die Sonne, entfernte Regionen des Weltraums und Quellen, die Wissenschaftler noch nicht identifiziert haben. Sie sind auch erstaunlich zahlreich. Schätzungen zufolge enthält das Universum etwa 10^89 Neutrinos, was ungefähr einer Milliarde pro existierendem Atom entspricht.

„Neutrinos sind wahrhaft geisterhafte Teilchen“, erklärte Fuller. „Es ist schwer, sie aufzuhalten. Es ist schwer, sie zu fangen. Wie wissen wir überhaupt, dass sie existieren oder wo sie sind?“

Trotz ihrer schwer fassbaren Natur interagieren Neutrinos gelegentlich mit Materie durch eine fundamentale Kraft, die als schwache Wechselwirkung bekannt ist. Diese Kraft ist etwa 20 Größenordnungen schwächer als der Elektromagnetismus. Solche Interaktionen können dazu führen, dass Neutrinos gestreut oder absorbiert werden, was Wissenschaftlern eine Möglichkeit bietet, sie nachzuweisen. Diese Ereignisse sind jedoch so selten, dass ihre Beobachtung außergewöhnlich empfindliche Geräte erfordert.

Ihre Fähigkeit, sich durch dichtes Material zu bewegen, macht Neutrinos auch zu wertvollen Boten aus sonst unzugänglichen Regionen des Universums. Sie können aus Umgebungen um kollabierende Sterne und Schwarze Löcher entkommen und Informationen tragen, die andere Formen von Strahlung möglicherweise nicht preisgeben.

Der Umfang dieser unsichtbaren Aktivität ist atemberaubend. Etwa 100 Milliarden Neutrinos durchqueren jede Sekunde jeden Quadratzentimeter Ihres Körpers, fast völlig unbemerkt.

„Weil die Wechselwirkung so schwach ist, können Neutrinos fast alles durchdringen“, sagte Fuller. „Lichtjahre von Blei – je nach ihrer Energie würden sie einfach hindurchgehen.“

Die Suche nach Neutrinos begann lange bevor die Technologie existierte, um sie zu beobachten. In den 1930er Jahren schlug der Physiker Wolfgang Pauli vor, dass ein unbekanntes Teilchen erklären könnte, warum bei bestimmten Formen des radioaktiven Zerfalls Energie zu fehlen schien. Er verwendete zunächst einen anderen Namen für das hypothetische Teilchen (er nannte sie damals „Neutronen“).

Pauli verstand, wie schwierig es sein würde, seine Idee zu verifizieren. Er bekannte das Problem berühmt mit den Worten: „Ich habe eine schreckliche Sache getan, ich habe ein Teilchen postuliert, das nicht nachgewiesen werden kann.“

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