Gesche Pospiech

Neutrinooszillationen

Neutrino, Detektor
Inneres von Super-Kamiokande, dem weltweit größten Neutrino-Detektor, Foto: picture alliance/AP Images | Takumi Harada

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Aktuelle Impulse zur Anwendung der Quantenphysik im Unterricht

Warum sind Neutrinoozillationen ein lohnendes Thema für den Unterricht? Neutrinos sind faszinierende Objekte, weil sie allgegenwärtig und doch kaum nachweisbar sind. Lange war unklar, ob sie überhaupt eine Masse haben. Erst in jüngster Zeit wurde durch die Neutrinooszillationen nachgewiesen, dass Neutrinos massebehaftet sind, wenn auch nur mit sehr geringen Massen. Die Schlussfolgerungen hieraus sind sowohl für die Elementarteilchenphysik als für die Kosmologie von großer Bedeutung (vgl. [1]).
Teilchenoszillationen sind darüber hinaus nicht auf Neutrinos beschränkt, sondern können als Beispiel für ein universelles Phänomen behandelt werden. Damit erlauben sie auch einen vertieften Einblick in die quantenphysikalische Beschreibung von Elementarteilchen. Zudem wird dabei deutlich, dass das Bild von Elementarteilchen als „kleinen Teilchen durch die Vorstellung ersetzt werden muss, dass Teilchen als Zustände modelliert werden.
Teilchenoszillationen
Ein zentrales Konzept in der Teilchenphysik ist die Umwandelbarkeit einzelner Teilchensorten, wie z.B. bei der β-Umwandlung. Dabei hilft es, sich die Teilchensorten als Zustände (eines Quantenfeldes) vorzustellen, die ineinander übergehen können.
Eine Besonderheit dabei sind periodische Umwandlungen, sog. Teilchenoszillationen. Hierunter versteht man, dass sich die Wahrscheinlichkeit, von zwei (oder mehr) Teilchensorten jeweils eine Teilchensorte anzutreffen, periodisch ändert. Das zuerst entdeckte Beispiel ist die Oszillation von neutralen K-Mesonen, wobei die schwache Wechselwirkung die entscheidende Rolle spielt (vgl. [2]).
Die Quantentheorie stellt die Konzepte und die mathematischen Strukturen zur Verfügung, um dieses universelle Phänomen zu beschreiben. Denn die Oszillationen zwischen zwei Teilchensorten lassen sich in das quantenphysikalische Verhalten eines Zwei-Zustands-Systems übersetzen: Wenn der Hamilton-Operator, der das Verhalten des Systems bestimmt, Nicht-Diagonal-Elemente enthält, dann treten wegen der quantenphysikalischen Überlagerungen Oszillationen auf. Diese Beschreibung kann auf mehr Teilchensorten erweitert werden, ohne dass sich die zugrunde liegenden Konzepte oder der Formalismus ändern. Nur der Rechenaufwand vergrößert sich. Im Folgenden dienen die Neutrinooszillationen als ein wichtiges Beispiel für dieses universelle Phänomen.
Neutrinooszillationen
Zu jedem elektrisch geladenen Lepton (e, μ und τ) gehört jeweils ein entsprechendes Neutrino. Damit gibt es drei Neutrinosorten. Bei der Untersuchung des Elektron-Neutrino-Stroms von der Sonne wurden allerdings zu wenige Neutrinos beobachtet. Theoretische Überlegungen mittels der quantenphysikalischen Beschreibung und Analogieschlüsse zu Oszillationen der K-Mesonen führten zur Idee von Neutrinooszillationen. Diese könnten erklären, warum an einem Ort nicht (nur) die erwarteten Neutrinoarten beobachtet werden.
Um die Vermutung von Neutrinooszillationen zu bestätigen, mussten in einem Experiment die einzelnen Neutrinosorten nachgewiesen werden. Da Neutrinos nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen, benötigt man für die Untersuchungen sehr starke Neutrinoquellen, empfindliche Detektoren und geschickte Messanordnungen (s.a. [3]).
Für den Nachweis von Neutrinooszillationen, auch mit Myon- und Tau-Neutrinos, wurde 2015 der Nobelpreis vergeben. 1) Aus den Neutrinooszillationen folgt, dass mindestens zwei Neutrinosorten nicht masselos sind. Nach wie vor kennt man jedoch nicht die Neutrinomassen selber, sondern nur ihre Differenzen (genauer: die Differenzen der Massenquadrate).
Analogie zur Beschreibung der Neutrinooszillationen
Die Neutrinooszillationen lassen sich mit einer mechanischen Analogie beschreiben (vgl. [4]). Dabei ist zu beachten, dass eine solche modellhafte Beschreibung nur gewisse Aspekte gut wiedergeben kann.
Weil die Bezeichnung Neutrinooszillationen auf die...

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Physik Nr. 180 / 2020

Teilchenphysik

Friedrich+ Kennzeichnung Fachwissen Schuljahr 10-13