Physiker hatten diese Woche mehr Fragen als Antworten, nachdem sie nach einer sorgfältigen Suche nach einem schwer fassbaren theoretischen Teilchen namens steriles Neutrino mit leeren Händen zurückgekehrt waren.
Die Ergebnisse wurden am Mittwoch von Wissenschaftlern veröffentlicht, die mit dem Neutrino-Experiment MicroBooNE am Fermilab arbeiten – einer Einrichtung für Teilchenphysik in Illinois.
Die Arbeit mit Neutrinos ist ein schwieriger und mühsamer Prozess, weil sie unglaublich klein sind. Tatsächlich dachten Wissenschaftler lange Zeit, Neutrinos hätten überhaupt keine Masse und sie wurden sogar “Geisterteilchen” genannt.
Was ist ein Neutrino?
Ein Neutrino ist ein fundamentales Teilchen des Universums, was bedeutet, dass es unseres Wissens nach aus nichts anderem besteht. Diese Teilchenarten werden auch Elementarteilchen genannt. Ein Elektron zum Beispiel ist auch ein Elementarteilchen.
Aber während ein Elektron eine Ladung hat, ist dies bei Neutrinos nicht der Fall. Neutrinos sind auch sehr, sehr klein. Ihre Masse soll weniger als ein Millionstel der eines Elektrons betragen.
Wissenschaftler glauben, dass Neutrinos uns helfen könnten, einige der grundlegendsten Geheimnisse der Physik zu lösen, darunter: Warum gibt es Materie im Universum? Aktuelle Vorhersagen deuten darauf hin, dass nach dem Urknall eine gleiche Menge an Materie und Antimaterie hätte erscheinen und sich gegenseitig aufheben sollen, aber das ist eindeutig nicht passiert.
Hilfreicherweise sind Neutrinos überall, einschließlich des Weltraums. Von allen Teilchen mit Masse sind sie am häufigsten.
Leider sind sie so klein, dass sie sehr schwer zu entdecken sind, da sie dazu neigen, fast alles, was ihnen begegnet, direkt zu passieren.
Neutrinos gibt es in drei uns bekannten Arten, die als “Aromen” bezeichnet werden. Diese werden Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tau-Neutrinos genannt. Neutrinos neigen dazu, auf ihrer Reise zwischen diesen drei Geschmacksrichtungen zu wechseln.
Vor etwa zwei Jahrzehnten begannen Wissenschaftler, die Möglichkeit einer vierten Geschmacksrichtung – eines sterilen Neutrinos – zu untersuchen, nachdem sie in einem Experiment mehr Neutrinokollisionen beobachtet hatten, als sie vorhergesagt hatten. Eine Möglichkeit, dies zu erklären, wäre, wenn ein viertes, unbekanntes Neutrino dafür verantwortlich war.
Geben Sie MicroBooNE ein
Wissenschaftler mussten dieses Problem genauer untersuchen, um zu sehen, ob es tatsächlich ein viertes Neutrino gab, und bauten daher MicroBooNE.
MicroBooNE ist ein riesiger Teilchendetektor, der die Form eines 12 Meter langen Hohlröhrenbehälters hat. Wenn es in Gebrauch ist, füllen Wissenschaftler es mit Tonnen von reinem flüssigem Argon, einer dichten, transparenten Flüssigkeit.
Mithilfe einer komplizierten Anordnung von Sensoren kann die Maschine dann die Spuren erfassen, die hinterlassen werden, wenn Neutrinos die Maschine passieren und gelegentlich auf die dichte Argonfüllung stoßen. Diese Kollisionen setzen zusätzliche Partikel frei, die dann aufgezeichnet werden können.
Mit dieser Methode machten sich die MicroBooNE-Wissenschaftler auf den Weg, um endlich einen Blick auf ein steriles Neutrino zu erhaschen – aber es sollte nicht sein. Die Experimente zeigten nicht mehr als die drei Standard-Neutrino-Aromen, die wir kennen und lieben.
„Sie sagen uns alle das Gleiche“, sagte Bonnie Fleming, Physikprofessorin an der Yale University und Co-Sprecherin von MicroBooNE, in einer Fermilab-Pressemitteilung, „und das gibt uns ein sehr großes Vertrauen in unsere Ergebnisse, dass wir keinen Hinweis sehen eines sterilen Neutrinos.”
Aber die Frage bleibt: Warum haben die Experimente von 2002 zu so seltsamen Ergebnissen geführt?
Laut dem Fermilab-Wissenschaftler Sam Zeller lügen die früheren Experimente nicht. “Es passiert etwas wirklich Interessantes, das wir noch erklären müssen”, sagte er in der Pressemitteilung. “Die Daten lenken uns von den wahrscheinlichen Erklärungen ab und weisen auf etwas Komplexeres und Interessanteres hin, was wirklich aufregend ist.”
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