Dunkle Materie, Teil 6: Bedeutung des unerwarteten Verhaltens von Neutrinos und Antineutrinos

Dunkle Materie, Teil 6: Bedeutung des unerwarteten Verhaltens von Neutrinos und Antineutrinos

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Wie im letzten blogpost (Dunkle Materie, Teil 5) bereits angedeutet, nähern wir uns mit diesem blogpost zum Thema einer überraschenden Lösungsmöglichkeit zu ihrer Natur. Das „Zauberwort“ hier lautet: schwere Neutrinos. Ich habe sie summarisch am Ende von Teil 5 vorgestellt. Nun müssen wir uns hier detailliert mit ihnen beschäftigen. Zu ihrem Verständnis sind vorab einige komplexe Probleme zu klären. Jedes einzelne von ihnen besitzt das Potential, das neue, nur partiell experimentell verizierte Theoriegebäude zum Einsturz zu bringen. Liessen sich diese Probleme jedoch  umschiffen, wäre dieser Mühen Lohn gewaltig: Nicht nur die Natur der Dunklen Materie wäre geklärt, sondern möglicherweise auch das Materie-Antimaterie – Problem (Baryonasymmetrie) und der Ursprung der Neutrinomassen bzw. Oszillationen. Es käme zu einer ultimativen Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik und zu einem neuen Verständnis des Universums. Der Versuch ist somit auch bei geringen Erfolgsaussichten aller Mühen wert.

 

Die wichtigsten der zu lösenden Probleme, denen jeweils ein Abschnitt gewidmet ist, sind folgende:

 

  • Bruch der sog. CP- bzw. CPT-Symmetrie
  • Folgen für die Erzeugung von Neutrinos
  • Die Unterschiede zwischen bekannten, leichten und postulierten, schweren Neutrinos
  • Neutrinos oder Antineutrinos?
  • Dirac- und Majorana-Teilchen
  • Nachweismöglichkeiten für schwere Neutrinos

 

Wer sich von dieser Aufzählung z.T. neuer Begriffe nicht abschrecken lässt, wird bei ihrem Studium zwar einigen Schweiss vergiessen, am Ende jedoch mit –wie ich hoffe-Einsichten belohnt werden, die es gestatten, die weiteren Entwicklungen des Gebietes mit Verständnis zu verfolgen.

 

 

  1. Bruch der sog. CP- bzw. CPT-Symmetrie: In Teil 5 dieser posts wurde bereits daruf hingewiesen, dass unmessbar kurz nach dem Urknall Materie und Antimaterie in exakt gleicher Menge produziert wurden. Wie wir wissen, vernichten sie sich bei Aufeinandertreffen gegenseitig vollkommen unter Aussendung von Gammastrahlung. Diese Vernichtung war bereits eine Millisekunde nach dem Urknall abgeschlossen. Danach hätte es keinerlei baryonische Materie oder Antimaterie mehr geben dürfen – und somit auch keine Galaxien, Sterne oder uns. Dass dies so nicht stimmt, zeigt unter unzähligen anderen auch die Tatsache, dass ich an meinem Schreibtisch sitze und diese Zeilen schreibe und Sie sie lesen werden (hoffentlich J …).

Es ist also unzweifelhaft ein –wenn auch minimaler- Überschuss von  Materie übrig geblieben Wie kann das sein? Die uns bekannte (Teilchen-)Physik geht von einer absoluten Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie aus. Wir können heute natürlich Antimaterie erzeugen, jedoch wird mit jedem Antimaterieteilchen auch ein entsprechendes Materieteilchen erzeugt und umgekehrt. Das hat die Experimentalphysik immer wieder gezeigt. Das theoretische Fundament dieser absoluten Symmetrie ist das sog. CPT-Symmetrie – Theorem. Eine beliebte bildliche Vorstellung soll es verdeutlichen. Man betrachtet den Film einer Reaktion zwischen Teilchen. Danach verwandelt man jedes Teilchen in sein Antiteilchen, dreht den Film so um, dass rechts und links ausgetauscht sind (was einer Spiegelung entspricht) und lässt ihn rückwärts laufen. Es stellt sich heraus, dass die beiden Filme nicht voneinander zu unterscheiden sind. Dies ist die Kernaussage des CPT-Symmetrie-Theorems.

Die Buchstaben CPT beschreiben die drei obigen Parameter, die wir gerade geändert haben: „C“ steht für charge conjugation (engl. für Ladungskonjugation), also für die Umwandlung eines Teilchen in sein Antiteilchen und umgekehrt. Das „P“ bedeutet parity (engl. für Parität) und entspricht einer Spiegelung während „T“ (time reversal) die Zeitumkehr beschreibt (Rückwärtslaufen des Films).

Lange nahm man an, dass die drei Operationen (C, P und T) jede für sich eine ungebrochene Symmetrie darstellen. Eine Verletzung, d.h. ein Bruch dieser Symmetrien sei physikalisch nicht möglich. Ohne weiter in die komplexen Einzelheiten einzutauchen, reicht es für unsere Zwecke festzustellen, dass ca. 25 Jahre und 2 Nobelpreise später klar wurde, dass Symmetriebrüche in sehr seltenen Fällen doch möglich sind. Dabei müssen Vorgänge nicht unbedingt invariant (also unveränderlich) sein, wenn man die Vorgänge für C, P und T separat betrachtet und CPT als Ganzes gültig bleibt. Das erste, experimentell verifizierte Beispiel war der Zerfall des K0L – Mesons (1964). Dieses Meson wird auch Kaon genannt und besteht wie alle Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark während Protonen und Neutronen aus jeweils 3 Quarks bestehen. Das K0L-Meson gehört zu den wenigen Teilchen, die ihr eigenes Antiteilchen sind (dazu unten mehr). Bei geladenen Teilchen sind die Verhältnisse klar: Das Antiteilchen trägt die entgegengestzte Ladung des Teilchen sonst sind alle Parameter identisch. Das geläufigste Beispiel sind das negativ geladene Elektron und das positiv geladene Positron. Dieses Meson jedoch ist ladungsneutral. Man müsste den Unterschied somit bei den es ausmachenden Quarks suchen. Durch den Austausch von Gluonen (die Bosonen, die sie zusammenhalten) kann das Quark in ein Antiquark umgewandelt werden und umgekehrt. Dies geschieht dauernd in unmessbar kurzen Zeiträumen. Damit ist das K-Meson zugleich Teilchen und Antiteilchen.

Beim Zerfall des K0L-Mesons müsste man daher erwarten, dass es Elektronen und Positronen (zusammen mit anderen Zerfallsprodukten) in exakt gleicher Menge produziert. Dies ist jedoch nicht der Fall: es entstehen mehr Positronen als Elektronen. Zum ersten Mal konnte so nachgewiesen werden, dass es einen Prozess gibt, bei dem Materie- und Antimaterie-Teilchen nicht gleich behandelt werden. Dies entspricht einem CP-Symmetriebruch.

 

  1. Folgen für die Erzeugung von Neutrinos:

Wir wissen heute, dass die uns geläufigen „regulären“ Neutrinos Masse besitzen, wenn auch eine verschwindend geringe. Dies ist auch die Voraussetzung für die Neutrino-Oszillation, d.h. die Umwandlung von Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos ineinander. Alle Experimente zeigen, dass Neutrinos nie allein erzeugt werden, sondern immer zusammen mit dem entsprechenden positiven Lepton: e, µ, τ. Während Neutrinos, was ja auch der Name sagt, keine elektrische Ladung tragen, besitzen sie eine Quantenzahl und das ist die Leptonenzahl. Sie wird ebenso erhalten wie die elektrische Ladung bei geladenen Teilchen. Darüberhinaus besitzen Neutrinos auch einen Spin und zwar den gleichen wie ihre elektronischen Partner mit denen sie immer gemeinsam auftreten. Es gibt experimentelle Anordnungen –wie beispielsweisebestimmter ß-Zerfälle-, die dies zweifelsfrei belegen. So sind Elektronen eines ß-Zerfalls meist „linkshändig“ und ebenso die  mit ihnen entstehenden Neutrinos. Entstehen bei einem ß-Zerfall Antielektronen, also Positronen,  so erweisen diese sich als „rechtshändig“ wie auch die mit ihnen entstehenden Neutrinos. Sind das dann Antineutrinos? Gibt es diese überhaupt? Die einzige Möglichkeit für die Existenz von Antineutrinos, die weder eine Ladung noch Komponenten enthalten, die den entsprechenden Parametern von Neutrinos genau entgegengesetzt sind, sind potentiell diametrale Unterschiede in den Quantenzahlen. Danach könnte ein „rechtshändiges“ Neutrino im Gegensatz zum „linkshändigen“ ein Antineutrino sein.

Nur: jedes Neutrino, das bisher in Experimenten beobachtet wurde, ist linkshändig. Ein rechtshändiges Neutrino bzw. Antineutrino wurde noch nie beobachtet. Das muss nicht bedeuten , dass es ein solches Partikel nicht gibt. Wenn es aber existiert, wäre die eingängigste Erklärung für die Entstehung beider Neutrinoarten der see-saw Mechanismus, den ich im vorherghenden blogpost (Dunkle Materie, Teil 5) besprochen habe. Danach müsste das rechtshändige Antineutrino extrem schwer sein, weil das linkshändige Neutrino –auf der virtuellen Wippe- extrem leicht ist.

Inzwischen gibt es statistisch belastbare Hinweise, dass die CP-Symmetrie von Neutrinos während ihrer Oszillation verletzt ist. Dies zeigt das berühmte, 2013 durchgeführte T2K-Experiment in Japan, dessen Ergebnisse im August 2017 veröffenrlicht wurden. T2K steht für „Tokai to Kamiokande“. Am Protonenbeschleuniger des Forschungszentrums in Tokai (Japan) wurde ein Myon-Neutrino-Strahl erzeugt, der vom Super-Kamiokande-Untergrund-Detektor in 295 km Entfernung gemessen wurde. Neutrinos und Antineutrinos können sich dabei ineinander umwandeln. Bei dem Experiment wurde die Umwandlung von Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos sowie von Myon-Antineutrinos in Elektron-Antineutrinos (Neutrino-Osillation) bestimmt. Dabei wurde mit einer statistischen Wahrscheinlichkeit von 95% gefunden, dass die Umwandlung von Myon-Antineutrinos in Elektron-Antineutrinos nicht gleich häufig stattfindet wie die von Myon-Neutrinos zu Elektron-Neutrinos. Dies weist darauf hin, dass die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie bei Neutrino-Oszillationen verletzt ist (Bruch der CP-Symmetrie). Natürlich können Neutrinos und Antineutrinos nicht direkt gemessen werden, sonder indirekt über dabei erzeugte Tscherenkow-Strahlung. Der experimentelle Aufbau ist in der Legende zum Beitragsbild (Fussnote am Ende des Textes) beschrieben. Das Ergebnis dieses Experiments ist durchaus mit dem oben beschriebenen Zerfall des K-Mesons vergleichbar. In beiden Fällen werden bei den Vorgängen Materie und Antimaterie unsymmetrisch in verschiedener Menge erzeugt. Dies wird bei weiterer Bestätigung bedeuten, dass wir möglicherweise eine Erklärung für die Tatsache haben,   dass das Universum praktisch nur aus Materie besteht und auch für die Existenz Dunkler Materie.

Das rechtshändige, ultraschwere Antineutrino kann auf Grund seiner hohen Masse in unseren besten Beschleunigern noch lange nicht (vielleicht nie) erzeugt und nachgewiesen werden. Ausserdem dürfte es auf Grund seiner hohen Masse sehr schnell weiter zerfallen. Seine Masse entspräche jedoch ziemlich genau der Masse, die wir für ein Partikel der Dunklen Materie fordern. Dies ist genau der Grund für die z.Z fieberhafte Suche nach einem notwendigerweise indirekten Nachweis des rechtshändigen Antineutrinos. Mit diesen Möglichkeiten und Fragen werden wir uns im nächsten und letzten blogpost zur Dunklen Materie beschäftigen.

 

 

Headerbild: Spinnenetzstruktur des Universums; Würfel mit Kantenlänge 1 Milliarde Lichtjahre; Bolshoi Simulation. Credit: NASA, ESA and E. Hallman, University of Colorado; Boulder

Beitragsbild:    Eine durch das T2K-Experiment beob­achtete Elektron-Neutrino-Wechsel­wirkung. Das Neutrino steht in Wechsel­wirkung mit einem Wasser­molekül im Detektor­volumen und erzeugt ein Elektron, das wiederum Tscherenkow-Strahlung emittiert, während es über den Detektor fliegt. Dieses Licht wird durch spezielle Photo­sensoren gesammelt und in ein mess­bares elek­trisches Signal umge­wandelt. Text von pro-physik (www.pro-physik.de/)

Credit: http://francis.naukas.com/2017/08/04/primeros-indicios-de-violacion-cp-en-la-fisica-de-los-neutrinos-en-t2k/

Verantwortlich: Peter H. Jacobi (Autor von „Cosmoblog. Kosmologie: Über die Grundlagen zur Spitzenforschung von heute und morgen“; K.Fischer Verlag, September 2017)

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4 Gedanken zu „Dunkle Materie, Teil 6: Bedeutung des unerwarteten Verhaltens von Neutrinos und Antineutrinos

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