Neutrinos sind schwer fassbare subatomare Teilchen, die in einer Vielzahl von Kernprozessen entstehen. Ihr Name, der „kleines Neutrino“ bedeutet, bezieht sich auf die Tatsache, dass sie keine elektrische Ladung tragen. Von den vier fundamentalen Kräften im Universum wechselwirken Neutrinos nur mit zwei – der Schwerkraft und der schwachen Kraft, die für den radioaktiven Zerfall von Atomen verantwortlich ist. Da sie fast keine Masse haben, sausen sie fast mit Lichtgeschwindigkeit durch den Kosmos.
Unzählige Neutrinos entstanden Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall. Und ständig entstehen neue Neutrinos: in den Kernherzen der Sterne, in Teilchenbeschleunigern und Atomreaktoren auf der Erde, beim explosiven Kollaps von Supernovas und beim Zerfall radioaktiver Elemente. Das bedeutet, dass es im Durchschnitt eine Milliarde Mal mehr Neutrinos als Protonen im Universum gibt, so der Physiker Karsten Heeger von der Yale University in New Haven, Connecticut.
Trotz ihrer Allgegenwärtigkeit bleiben Neutrinos für Physiker weitgehend ein Rätsel, weil die Teilchen so schwer einzufangen sind. Neutrinos strömen durch die meiste Materie, als wären sie Lichtstrahlen, die durch ein durchsichtiges Fenster gehen, und wechselwirken kaum mit allem, was es sonst noch gibt. Ungefähr 100 Milliarden Neutrinos durchqueren in diesem Moment jeden Quadratzentimeter Ihres Körpers, obwohl Sie nichts davon spüren.
Die Entdeckung der unsichtbaren Teilchen
Neutrinos wurden zunächst als die Antwort auf ein wissenschaftliches Rätsel postuliert. Im späten 19. Jahrhundert rätselten Forscher über ein als Betazerfall bekanntes Phänomen, bei dem der Kern im Inneren eines Atoms spontan ein Elektron aussendet. Der Betazerfall schien zwei grundlegende physikalische Gesetze zu verletzen: die Erhaltung der Energie und die Erhaltung des Impulses. Beim Betazerfall schien die Endkonfiguration der Teilchen etwas zu wenig Energie zu haben, und das Proton stand still, anstatt in die entgegengesetzte Richtung des Elektrons gestoßen zu werden. Erst 1930 schlug der Physiker Wolfgang Pauli die Idee vor, dass ein zusätzliches Teilchen aus dem Kern herausfliegen könnte, das die fehlende Energie und den fehlenden Impuls mit sich führt.
„Ich habe eine schreckliche Sache getan. Ich habe ein Teilchen postuliert, das man nicht nachweisen kann“, sagte Pauli zu einem Freund und meinte damit, dass sein hypothetisches Neutrino so geisterhaft sei, dass es kaum mit irgendetwas interagieren würde und wenig bis gar keine Masse hätte.
Mehr als ein Vierteljahrhundert später bauten die Physiker Clyde Cowan und Frederick Reines einen Neutrino-Detektor und platzierten ihn außerhalb des Kernreaktors im Atomkraftwerk Savannah River in South Carolina. Mit ihrem Experiment gelang es ihnen, einige der Hunderte von Billionen Neutrinos aufzufangen, die aus dem Reaktor flogen, und Cowan und Reines schickten Pauli stolz ein Telegramm, um ihn über ihre Bestätigung zu informieren. Reines sollte 1995 den Nobelpreis für Physik erhalten – zu diesem Zeitpunkt war Cowan bereits verstorben.
Aber seitdem haben Neutrinos die Erwartungen der Wissenschaftler immer wieder enttäuscht.
Die Sonne produziert kolossale Mengen von Neutrinos, die die Erde bombardieren. Mitte des 20. Jahrhunderts bauten Forscher Detektoren, um nach diesen Neutrinos zu suchen, doch ihre Experimente zeigten immer wieder eine Diskrepanz: Sie entdeckten nur etwa ein Drittel der Neutrinos, die vorhergesagt worden waren. Entweder stimmte etwas mit den Sonnenmodellen der Astronomen nicht, oder es ging etwas Seltsames vor sich.
Physiker erkannten schließlich, dass es wahrscheinlich drei verschiedene Arten von Neutrinos gibt. Das gewöhnliche Neutrino wird Elektron-Neutrino genannt, aber es gibt auch zwei andere Geschmacksrichtungen: ein Myon-Neutrino und ein Tau-Neutrino. Während sie die Strecke zwischen der Sonne und unserem Planeten durchqueren, oszillieren Neutrinos zwischen diesen drei Typen, weshalb die frühen Experimente – die nur für die Suche nach einer Geschmacksrichtung ausgelegt waren – immer wieder zwei Drittel ihrer Gesamtzahl vermissten.
Aber nur Teilchen, die Masse haben, können diese Oszillation durchlaufen, was früheren Vorstellungen widerspricht, dass Neutrinos masselos seien. Während Wissenschaftler die genauen Massen aller drei Neutrinos immer noch nicht kennen, haben Experimente festgestellt, dass das schwerste von ihnen mindestens 0,0000059 Mal kleiner als die Masse des Elektrons sein muss.
Neue Regeln für Neutrinos?
Im Jahr 2011 sorgten Forscher des Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA)-Experiments in Italien für weltweites Aufsehen, als sie bekannt gaben, dass sie Neutrinos nachgewiesen hatten, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen – ein vermeintlich unmögliches Unterfangen. Obwohl in den Medien viel darüber berichtet wurde, wurden die Ergebnisse von der wissenschaftlichen Gemeinschaft mit großer Skepsis aufgenommen. Weniger als ein Jahr später erkannten die Physiker, dass eine fehlerhafte Verdrahtung einen überlichtschnellen Befund vorgetäuscht hatte, und Neutrinos kehrten in das Reich der kosmisch gesetzestreuen Teilchen zurück.
Aber die Wissenschaftler haben noch viel über Neutrinos zu lernen. Kürzlich haben Forscher des Mini Booster Neutrino Experiments (MiniBooNE) am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in der Nähe von Chicago den überzeugenden Beweis erbracht, dass sie eine neue Art von Neutrino, ein sogenanntes steriles Neutrino, entdeckt haben. Dieser Befund bestätigt eine frühere Anomalie, die am Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND), einem Experiment am Los Alamos National Laboratory in New Mexico, beobachtet wurde. Sterile Neutrinos würden die gesamte bekannte Physik auf den Kopf stellen, da sie nicht in das sogenannte Standardmodell passen, ein Rahmenwerk, das fast alle bekannten Teilchen und Kräfte außer der Gravitation erklärt.
Wenn die neuen Ergebnisse von MiniBooNE Bestand haben, „wäre das riesig; das ist jenseits des Standardmodells; das würde neue Teilchen erfordern … und ein völlig neues analytisches Rahmenwerk“, sagte die Teilchenphysikerin Kate Scholberg von der Duke University gegenüber Live Science.