„Ghost Particle“ zeichnet die Entdeckung des Neutrinos auf und was es noch zu lernen gibt

Geisterpartikel
Alan Chodos und James Riordon
MIT Press, 32,95 $

Wir leben in einem Meer von Neutrinos. Jede Sekunde passieren Billionen von ihnen unseren Körper. Sie kommen von der Sonne, Kernreaktoren, Kollisionen kosmischer Strahlen, die auf die Erdatmosphäre treffen, sogar vom Urknall. Unter den Elementarteilchen sind nur Photonen zahlreicher. Da Neutrinos jedoch kaum mit Materie interagieren, sind sie notorisch schwer zu entdecken.

Die Existenz des Neutrinos wurde erstmals in den 1930er Jahren vorgeschlagen und dann in den 1950er Jahren verifiziert (SN: 13.02.54). Jahrzehnte später bleibt vieles über das Neutrino – teilweise benannt, weil es keine elektrische Ladung hat – ein Rätsel, einschließlich der Frage, wie viele Arten von Neutrinos existieren, wie viel Masse sie haben, woher diese Masse kommt und ob sie magnetische Eigenschaften haben.

Diese Geheimnisse sind das Herzstück von Geisterpartikel des Physikers Alan Chodos und des Wissenschaftsjournalisten James Riordon. Das Buch ist eine informative, leicht verständliche Einführung in das verwirrende Teilchen. Chodos und Riordon führen die Leser durch die Entdeckung des Neutrinos, was wir darüber wissen – und nicht wissen – und durch die laufenden und zukünftigen Experimente, die (drücke die Daumen) die Antworten liefern werden.

Auf diese Antworten warten nicht nur Neutrinophysiker. Neutrinos, sagt Riordon, „sind unglaublich wichtig für das Verständnis des Universums und unserer Existenz darin.“ Die Entlarvung des Neutrinos könnte beispielsweise der Schlüssel zur Entschlüsselung der Natur der Dunklen Materie sein. Oder es könnte das Materie-Rätsel des Universums klären: Der Urknall hätte gleiche Mengen an Materie und Antimaterie produzieren müssen, die entgegengesetzt geladenen Gegenstücke von Elektronen, Protonen und so weiter. Wenn Materie und Antimaterie in Kontakt kommen, vernichten sie sich gegenseitig. Theoretisch sollte das Universum heute also leer sein – ist es aber nicht (SN: 22.9.22). Es ist voller Materie und aus irgendeinem Grund sehr wenig Antimaterie.

Wissenschaftsnachrichten sprach mit Riordon, einem häufigen Mitarbeiter des Magazins, über diese Rätsel und darüber, wie Neutrinos als Werkzeug fungieren könnten, um den Kosmos zu beobachten oder sogar in unseren eigenen Planeten zu sehen. Das folgende Gespräch wurde aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet.

SN: Im ersten Kapitel listen Sie acht unbeantwortete Fragen zu Neutrinos auf. Welche Antwort ist am dringendsten?

Riordan: Ob sie ihre eigenen Antiteilchen sind, ist wahrscheinlich eine der größten. Der Vorschlag, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind, ist eine elegante Lösung für alle möglichen Probleme, einschließlich der Existenz dieses Rests von Materie, in der wir leben. Eine andere ist herauszufinden, wie Neutrinos in das Standardmodell passen [of particle physics]. Es ist eine der erfolgreichsten Theorien, die es gibt, aber sie kann die Tatsache nicht erklären, dass Neutrinos Masse haben.

SN: Warum ist gerade jetzt ein guter Zeitpunkt, um ein Buch über Neutrinos zu schreiben?

Riordan: All diese Fragen zu Neutrinos spitzen sich gerade zu – die Hinweise, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sein könnten, die Frage, ob Neutrinos nicht ganz in das Standardmodell passen, ob es sterile Neutrinos gibt [a hypothetical neutrino that is a candidate for dark matter]. In den nächsten paar Jahren, einem Jahrzehnt oder so, wird es eine Menge Experimente geben, die das tun werden [help answer these questions,] und die Auflösung wird so oder so spannend sein.

SN: Neutrinos könnten auch verwendet werden, um Wissenschaftlern bei der Beobachtung einer Reihe von Phänomenen zu helfen. Was sind einige der interessantesten Fragen, bei denen Neutrinos helfen könnten?

Riordan: Es gibt einige Beobachtungen, die einfach mit Neutrinos gemacht werden müssen, für die es keine anderen technologischen Alternativen gibt. Es gibt ein Problem bei der Verwendung lichtbasierter Teleskope, um in die Geschichte zurückzublicken. Wir haben dieses wirklich erstaunliche James-Webb-Weltraumteleskop, das wirklich weit in die Geschichte zurückblicken kann. Aber irgendwann, wenn man weit genug zurückgeht, ist das Universum im Grunde lichtundurchlässig; man kann nicht hineinsehen. Sobald wir eingegrenzt haben, wie man den kosmischen Neutrino-Hintergrund erkennt und misst [neutrinos that formed less than a second after the Big Bang], es wird eine Möglichkeit sein, auf die Anfänge zurückzublicken. Anders als bei Gravitationswellen kann man mit nichts so weit zurückblicken. Es gibt uns also eine Art Teleskop zurück zum Anfang des Universums.

Die andere Sache ist, wenn eine Supernova passiert, passieren alle möglichen wirklich coolen Dinge im Inneren, und Sie können es mit Neutrinos sehen, weil Neutrinos sofort in einem Ausbruch herauskommen. Wir nennen es die „kosmische Neutrinobombe“, aber Sie können die Supernova während ihres Verlaufs verfolgen. Bei Licht dauert es eine Weile, bis es herauskommt [of the stellar explosion]. Wir sind für a fällig [nearby] Supernova. Seit 1987 hatten wir keine mehr. Es war die letzte sichtbare Supernova am Himmel und ein Segen für die Forschung. Jetzt, da wir Neutrino-Detektoren auf der ganzen Welt haben, wird dieser nächste noch besser sein [for research]noch spannender.

Und wenn wir bessere Instrumente entwickeln, könnten wir Neutrinos verwenden, um zu verstehen, was im Zentrum der Erde vor sich geht. Es gibt keine andere Möglichkeit, den Mittelpunkt der Erde zu untersuchen. Wir verwenden seismische Wellen, aber die Auflösung ist sehr gering. Wir könnten also viele Fragen darüber, woraus der Planet besteht, mit Neutrinos lösen.

SN: Haben Sie eine Lieblingsfigur in der Geschichte der Neutrinos?

Riordan: Ich mag meinen Großvater Clyde Cowan auf jeden Fall sehr [he and Frederick Reines were the first physicists to detect neutrinos]. Aber Reines ist ein fesselnder Charakter. Er war poetisch. Er war ein Sänger. Er war wirklich diese kreative Kraft. Ich erwähnte [in the book] dass sie dieses „SNEWS“-Zeichen auf ihrem Detektor für „Supernova-Frühwarnsystem“ anbrachten, was in gewisser Weise die damaligen Frühwarnsysteme für ballistische Raketen widerspiegelte [during the Cold War]. Das ist so reif.

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