Mit dem Large Hadron Collider wurden alle bekannten Teilchen außer Neutrinos nachgewiesen. Bis jetzt

Neutrinos gehören zu den rätselhaftesten Teilchen der gesamten Physik. Da Neutrinos eine neutrale Ladung und eine Masse nahe Null haben, interagieren sie selten mit anderer Materie und sind daher bekanntermaßen schwer zu beobachten. Wissenschaftler haben immer noch viel über sie gelernt – einschließlich der Identifizierung von drei Neutrinotypen (Elektronen, Myonen und Tau-Teilchen) – aber ihre Beobachtung war eine ganz andere Sache. Obwohl Neutrinos mit fortschrittlicher Ausrüstung nachgewiesen wurden, hofften Physiker, Neutrinos besser zu verstehen, indem sie sie in einem Teilchenbeschleuniger beobachteten.

Das Ergebnis war ein voller Erfolg: Ein Experiment, bei dem Neutrinos nachgewiesen wurden wie bei keinem anderen, das jemals durchgeführt wurde.

Dank Wissenschaftlern an zwei verschiedenen Instituten wurden nun Neutrinos in einem Collider entdeckt – und die Welt der Physik wird möglicherweise nie mehr dieselbe sein.

Um dieses Ziel zu erreichen, nutzten Forscher von FASER (Forward Search Experiment) und SND (Scattering and Neutrino Detector)@LHC den Large Hadron Collider (LHC), eine Schweizer Maschine, die auch der weltweit größte und energiereichste Teilchenbeschleuniger ist. Es besteht im Wesentlichen aus einer riesigen Schleife, die in einem Tunnel mit einem Umfang von 27 Kilometern (17 Meilen) gebaut ist. Auch wenn der Nachweis von Neutrinos in einem Collider wie ein akademischer Spaß klingt, glauben die Wissenschaftler, die dies getan haben, dass sie durch diesen Prozess viel über die atomare Struktur des Universums lernen können.

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„Neutrinos werden in Protonenkollidern wie dem LHC in großer Menge produziert“, sagte Cristovao Vilela, Teil der SND@LHC-Kollaboration, gegenüber Phys.org. „Allerdings wurden diese Neutrinos bisher noch nie direkt beobachtet. Die sehr schwache Wechselwirkung von Neutrinos mit anderen Teilchen macht ihren Nachweis sehr schwierig und sie sind daher die am wenigsten untersuchten Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik.“

FASER entdeckte die Neutrinos, indem es seinen Detektor entlang der Linie eines Teilchenstrahls so anordnete, dass die Neutrinos mit der höchsten Energie ihn passieren würden. Mithilfe von 730 Wolframschichten mit einer Dicke von jeweils 0,044 Zoll gelang es dem FASER-Team, die Flugbahnen der kollidierenden Partikel zu verfolgen. Auf diese Weise konnten sie mit ihrem „sehr kleinen, kostengünstigen“ Detektor 153 Neutrino-Ereignisse finden.

In ähnlicher Weise berichtete das SND@LHC über weitere acht Neutrino-Ereignisse, nachdem der Detektor zur Seite gestellt wurde. Wie das FASER-Team hat auch dieses seinen Detektor in hundert Metern Fels- und Betonschicht abgeschirmt, damit die meisten Nicht-Neutrino-Partikel nicht durchdringen konnten.

Das Ergebnis war ein voller Erfolg: Ein Experiment, bei dem Neutrinos nachgewiesen wurden wie bei keinem anderen, das jemals durchgeführt wurde.

„Bisher ging man davon aus, dass die Teilchenphysik in zwei Teile unterteilt ist: Hochenergieexperimente, die zur Untersuchung schwerer Teilchen wie Top-Quarks und Higgs-Bosonen erforderlich waren, und Hochintensitätsexperimente, die zur Untersuchung von Neutrinos erforderlich waren“, sagt Jonathan Lee Feng, Co-Sprecher der FASER Collaboration, sagte gegenüber Phys.org. „Diese Arbeit hat gezeigt, dass Hochenergieexperimente auch Neutrinos untersuchen können, und hat so die Hochenergie- und Hochintensitätsgrenzen zusammengeführt.“

„Teilchenbeschleuniger gibt es seit über 50 Jahren und sie haben jedes bekannte Teilchen außer Neutrinos entdeckt“, fügte er hinzu.

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In jeder Sekunde passieren etwa 100 Billionen Neutrinos den menschlichen Körper – und hinterlassen keinen Schaden.

Die Existenz von Neutrinos wurde erstmals in den 1930er Jahren vermutet, nachdem Wissenschaftler, die an der Entwicklung von Atomwaffen arbeiteten, feststellten, dass Kernreaktionen häufig weniger Energie zu transportieren schienen als die ihnen vorausgegangenen Teilchen. Da das Erhaltungsgesetz besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann, lag es nahe, dass es subatomare Teilchen gab, von denen der Mensch noch nichts wusste, die für den Energieverlust verantwortlich waren.

Im Jahr 1956 leiteten die Physiker Frederick Raines und Clyde Cowan ein Forscherteam, das die Existenz von Neutrinos bestätigte. Seitdem wurden Neutrinos in der Sonne, bei Supernovas und sogar bei Wechselwirkungen zwischen kosmischer Strahlung und der oberen Atmosphäre nachgewiesen. Dennoch ist es für Wissenschaftler immer noch bekanntermaßen schwierig, Experimente mit Partikeln durchzuführen, die nahezu masselos sind und nicht mit anderer Materie interagieren. Das macht die LHC-Experimente so bahnbrechend.

„Mit jeder neuen Quelle kamen neue Erkenntnisse mit wichtigen Auswirkungen auf viele Bereiche, von der Teilchenphysik über die Geophysik bis hin zur Astrophysik und Kosmologie“, schreibt die FASER-Kollaboration.

Wenn wir mehr über Neutrinos erfahren, können wir unser Wissen über das Universum erheblich erweitern. In jeder Sekunde passieren etwa 100 Billionen Neutrinos den menschlichen Körper – und hinterlassen keinen Schaden. Im Jahr 2001 erfuhren Wissenschaftler, dass es drei sogenannte „Geschmacksrichtungen“ von Neutrinos gibt, die verschiedene Zustände durchlaufen. Doch obwohl Wissenschaftler viel über Neutrinos wissen und in der Vergangenheit erfolgreiche Experimente durchgeführt haben, die ihre Existenz bestätigten, stellen die Experimente am LHC einen großen Fortschritt im physikalischen Wissen über Neutrinos dar. Feng gab dies implizit zu, als er Phys.org von den Plänen erzählte, auf dem Erfolg des jüngsten Experiments aufzubauen.

„Wir werden den FASER-Detektor noch viele Jahre lang betreiben und gehen davon aus, mindestens zehnmal mehr Daten zu sammeln“, sagte Feng gegenüber Phys.org. „Eine besonders aufregende Tatsache ist, dass diese erste Entdeckung nur einen Teil des Detektors nutzte. In den kommenden Jahren werden wir in der Lage sein, die volle Leistung von FASER zu nutzen, um diese hochenergetischen Neutrino-Wechselwirkungen bis ins kleinste Detail abzubilden.“

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