Das „Geisterteilchen“, das Neutrino, ist so schwer fassbar, dass wir jahrelang glaubten, es hätte keine Masse
Schätzen Sie das Gewicht eines Geistes. So etwas ist einigen europäischen Forschern gelungen. Nur reden wir hier nicht von Ektoplasmen, sondern vom sogenannten „Geisterteilchen“, dem Neutrino.
Eine schwer fassbare Maßnahme. Einem Physikerteam unter der Leitung von Forschern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik ist eine neue Schätzung der Masse des Neutrinos gelungen, eines der schwer fassbaren subatomaren Teilchen, die wir kennen.
Das Geisterteilchen. Die Geschichte dieses Rätsels beginnt in den 1930er Jahren, als Physiker erkannten, dass mit dem Zerfall des Atomkerns etwas nicht stimmte. Etwas fehlte, etwas Unbekanntes. Anschließend stellten sie sich „Geisterteilchen“ vor, die einen Teil des Impulses der sich verwandelnden Atome absorbierten. Mitte der 1950er Jahre „fingen“ sie dieses Teilchen, das Neutrino, ein.
Aber Neutrinos interagieren kaum mit den übrigen Teilchen, was sie weiterhin zu einem etwas „gespenstischen“ Teilchen macht, so sehr, dass wir bis vor relativ kurzer Zeit glaubten, sie hätten keine Masse, wie Photonen. Etwas, das, erklären die Verantwortlichen der Studie, perfekt in das Standardmodell passt, das physikalische Modell, das versucht, subatomare Teilchen und ihre Wechselwirkungen zu beschreiben.
Bis man entdeckte, dass Neutrinos zwischen drei Arten „oszillierten“. Etwas, das implizierte, dass dieses Teilchen eine „Ruhemasse“ haben musste.
Eine nukleare Skala. Wie wiegen wir dann ein Teilchen, von dem wir bis vor Kurzem glaubten, es hätte keine Masse? Es gebe zwei komplementäre Methoden, erklärt Christoph Schweiger, einer der Co-Autoren der Studie, in einer Pressemitteilung.
Eine dieser Methoden ist der Betazerfall von Tritium, dem Isotop des Wasserstoffs (Wasserstoff-3), in dessen Kern sich zwei Neutronen und ein Proton befinden. Bei diesem Zerfall zerfällt eines der Neutronen in ein Proton, wandelt das Atom in Helium-3 um und setzt dabei ein Elektron und ein Neutrino frei. Dies war die Technik, die vor einigen Jahren beim KATRIN-Experiment angewendet wurde.
„Der komplementäre Weg ist der Elektroneneinfang im künstlichen Isotop Holmium-163“, fährt Schweiger fort. Dieser Zerfall beginnt mit der Absorption eines Elektrons aus der inneren Hülle dieses Isotops durch den Atomkern. Hier wird ein Proton zu einem Neutron, wodurch das Atom in ein Isotop von Dysprosium-163 umgewandelt und gleichzeitig ein Neutrino freigesetzt wird. Dysprosium und Holmium sind die Elemente, die den Ordnungszahlen 66 bzw. 67 entsprechen, und beide gehören zur Lanthanoidgruppe.
E=mc2. Das Team des ECHo-Konsortiums arbeitete an der Energiemessung dieses Prozesses. Da Masse und Energie äquivalent sind (wie uns die bekannte Einstein-Gleichung sagt) und diese weder erzeugt noch zerstört werden, reicht es aus, die Masse zu kennen, die sich vor und nach dem Zerfall eines Isotops in ein anderes im System befand, und diese zu lösen das Unbekannte
Aber dieses Geheimnis besteht aus zwei Komponenten. Einerseits die Masse des freigesetzten Neutrinos, andererseits der „Q-Wert“, die Menge an Energie, die bei solchen Reaktionen freigesetzt oder absorbiert wird. Um Letzteres zu messen, nutzte das Team ein „Kalorimeter“.
Pentatrap. Aber es gab ein Problem. Das Holmium-Isotop wurde im Experiment in eine Schicht aus Goldatomen eingebaut. Diese Atome könnten irgendeinen Einfluss auf das Isotop haben, daher beschlossen sie, die ursprüngliche Messung mit einer neuen Messung zu kombinieren, die mit einer anderen Methode durchgeführt wurde, und so hypothetische Fehler aufzudecken.
Dieses Werkzeug ist die „Pentatrap“, ein kombiniertes Instrument aus fünf Penning-Fallen. Diese Fallen fangen Atome mithilfe statischer Elektrizität und eines Magnetfelds ein. Die Präzision dieses Geräts sei vergleichbar mit der Messung der Masse eines Wassertropfens in einem Airbus A380, erklärt Schweiger.
Dieses Gerät vibriert und misst die Schwingungen verschiedener Atome, in diesem Fall Dysprosium-163- und Holmium-163-Ionen. Damit erreichten sie eine um den Faktor 50 genauere Messung des Q-Wertes. Einzelheiten des Experiments wurden in einem Artikel in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik.
Öffnen Sie die Tür zum Unbekannten. Das erzielte Ergebnis? Das Experiment ergab eine maximale Masse von 0,8 Elektronenvolt multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit im Quadrat (eVm2). Das sind: 1,4·10^(-33) Gramm. Oder was dasselbe wäre, 0,0014 Quektogramme (qg) unter Verwendung der neuen Präfixe des Internationalen Systems. Die Mindestschätzung wäre 0,12 eVm2.
Für die Verantwortlichen der Studie stellt dieses Maß einen Schlüssel zu einer „unbekannten Welt“ dar, der lang erwarteten neuen Physik, die uns helfen könnte, einige offensichtliche Widersprüche in unseren aktuellen Modellen und andere Fragen zu lösen, auf die wir noch keine Antwort wissen. Vorerst müssen wir uns mit einem kleinen Schritt begnügen. Allerdings nicht so klein wie ein Neutrino.
In Xataka | Dieses Foto der Sonne wurde nachts aus einer Mine in Japan aufgenommen und blickte durch die Erde statt durch den Himmel
Bild | Pentatrap. MPI für Kernphysik / Erster Nachweis eines Neutrinos. US-Energieministerium
