Top-Kommentare: Experiment in China könnte die Massenordnung von Neutrinos bestimmen

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Neutrinos sind geisterhafte Teilchen, die keine Ladung, höchstens eine sehr geringe Masse haben und sich mit einer Geschwindigkeit bewegen, die der Lichtgeschwindigkeit nahekommt. Sie interagieren mit anderen Teilchen nur durch die schwache Kernkraft, die ein Neutron in ein Proton umwandeln und dabei ein Elektron ausstoßen kann, oder (im Falle eines Antineutrons) ein Proton in ein Neutron umwandeln und dabei ein Positron (Antielektron) ausstoßen kann. Da die schwache Kraft so schwach ist, passieren solche Ereignisse selten, sodass die Beobachtung dieser Teilchen ziemlich schwierig ist. Billionen von Neutrinos strömen jede Sekunde durch Ihren Körper, aber Sie werden es nie bemerken, weil nur so wenige tatsächlich mit den Kernen in Ihrem Körper interagieren.

Es sind drei Arten von Neutrinos bekannt, die jeweils an elektronenähnliche Teilchen gebunden sind. Das Elektron hat das Elektron-Neutrino; das schwerere Myon hat das Myon-Neutrino; und das viel schwerere Tau-Teilchen hat das Tau-Neutrino. Eine Entdeckung in Bezug auf diese verschiedenen Neutrinos ist, dass sich jedes Neutrino während seiner Ausbreitung durch den Raum in die anderen Typen umwandelt. Die Tatsache, dass Neutrinos bei ihrer Bewegung nicht statisch sind, bedeutet, dass sie sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit bewegen (sondern mit einer etwas geringeren Geschwindigkeit), was wiederum bedeutet, dass sie Masse haben. Eine natürliche Frage ist also, welche verschiedenen Massen die bekannten Neutrinos haben. Und wenn es nicht möglich ist, diese Massen tatsächlich zu messen, ist es dann zumindest möglich, die Ordnung der Massen zu bestimmen?

Ein Experiment, das in Kürze in China online gehen soll, soll diese Frage klären, wenn nicht sogar beantworten. Das Experiment besteht aus einer Acrylkugel mit einem Durchmesser von 35 Metern, die mit einer organischen Lösung gefüllt wird, die bei einem nuklearen Ereignis einen Lichtblitz (Szintillation) aussendet. Eine Anordnung von 43.000 Photomultiplierröhren wird die Kugel umgeben, um solche Ereignisse zu erkennen. 53 Kilometer von dieser Kugel entfernt befinden sich acht Kernreaktoren, die einen stetigen Strom von Elektron-Antineutrinos erzeugen. Wissenschaftler werden messen, wie viele dieser Elektronen-Antineutrinos auf ihrem Weg vom Reaktor zum Detektor nicht in einen der anderen Typen umgewandelt wurden. (Der Detektor ist für Myon- und Tau-Neutrinos blind.)

Hier wird es etwas verwirrend. Theoretiker haben festgestellt, dass es drei Massenzustände des Neutrinos gibt, die sie m1, m2 und m3 nennen. Es ist natürlich, sofort anzunehmen, dass jede dieser drei Massen der Masse einer der drei Neutrinoarten entspricht, aber tatsächlich korrelieren die Massenzustände nicht eins zu eins mit den tatsächlichen Neutrinoarten. Tatsächlich ist jeder der Neutrinotypen eine quantenmechanische Überlagerung der drei Massenzustände. Es wurde bereits festgestellt, dass m2 größer als m1 ist. Bleibt die Frage, ob m3 schwerer als m2 (sogenannte „normale Ordnung“) oder leichter als m1 („invertierte Ordnung“) ist.

Wenn ein nicht umgewandeltes Elektron-Antineutrino den Detektor erreicht und mit einem Proton interagiert, wandelt es das Proton in ein Neutron um und setzt ein energiereiches Positron frei. Dieses Positron erzeugt einen Blitz, der vom Detektor gesehen wird. Aber auch das Neutronenprodukt wird schließlich von einem Kern absorbiert, der etwa 200 Millisekunden später einen zweiten Blitz erzeugt. Diese Abfolge von zwei Blitzen (kombiniert mit der Tatsache, dass sie sich weit unter der Erde befinden und daher von der Erde selbst abgeschirmt sind) wird es ermöglichen, ein durch ein Antineutrino der Reaktoren ausgelöstes Ereignis von einem Ereignis zu unterscheiden, das durch eine zufällige kosmische Strahlung erzeugt wird. Das Muster, wie viele Elektron-Antineutrinos ihre Reise überleben, wird die Signatur dafür liefern, ob die Reihenfolge des Massenspektrums normal oder invertiert ist.

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Hervorgehoben vonJ Graham:

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