Durch die Bestätigung der Existenz dieser Reliktpartikel erhält die Wissenschaft unschätzbare Informationen über einen sehr jungen Weltraum.
Die Untersuchung der fast schwer fassbaren Neutrinoteilchen hat lange die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern auf sich gezogen. Um sie tief unter der Erde oder unter dem Eis nachzuweisen, werden riesige Strukturen gebaut - Neutrino-Observatorien. Eines davon, das Sudbury Neutrino Observatory (SNO), wurde entwickelt, um Neutrinos zu untersuchen, die durch Kernreaktionen auf der Sonne erzeugt werden. Sein Detektionskomplex befand sich in einer ehemaligen Mine in Sadbury in der kanadischen Provinz Ontario in einer Tiefe von etwa 2 km. Es war ein 1000 Kubikmeter großer kugelförmiger Acrylbehälter mit einem Durchmesser von 12 m, gefüllt mit schwerem Wasser D2O, das Kochsalzlösung NaCl enthielt. Der Container war allseitig von 9522 Photomultipliern umgeben, die auf einer 17 Meter langen Edelstahl-Gitterkugel montiert waren. Der gesamte Detektor wurde in einen 30 m hohen zylindrischen Behälter getaucht, der in Felsen ausgehöhlt und mit klarem Wasser gefüllt war. Eine zwei Kilometer dicke Gesteinsschicht schützte den Detektor vor kosmischer Strahlung, die schwache Signale von solaren Neutrinos „überdecken“könnte.
Sonnenneutrinos
Die SNO-Anlage registrierte mit gleichem Erfolg sowohl Elektron-Neutrinos als auch Myon- und Tau-Neutrinos. Diese universelle Empfindlichkeit wird durch die Messung der Parameter von zwei verschiedenen Arten von Kernreaktionen ermöglicht. Bei der ersten Reaktionsart interagiert ein Elektron-Neutrino mit einer sehr kleinen, aber immer noch von Null verschiedenen Wahrscheinlichkeit mit einem Neutron im Deuteriumkern und verwandelt es in ein Proton und ein Elektron, wodurch der Kern in ein Elektron zerfällt und zwei Protonen. Das Elektron trägt fast die gesamte kinetische Energie des Neutrinos ab und erreicht daher eine Geschwindigkeit, die die Lichtgeschwindigkeit in schwerem Wasser übersteigt. Als Ergebnis erzeugt es Cherenkov-Strahlung, die von Photomultipliern eingefangen wird.
Im Ozean aus Plasma
In dem Artikel „Im Ozean aus Plasma“(„PM“Nr. 5'2010) haben wir erklärt, wie wichtig es für die Astronomie ist, die spektralen Eigenschaften der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu bestimmen, die Informationen über die Zustand des Universums im Alter von 400.000 Jahren. Theoretische Astrophysik und Kosmologie argumentieren jedoch, dass lange bevor der Weltraum für diese Photonen transparent wurde, er vollständig transparent für Neutrinos wurde, die auch aufhörten, an schwereren Teilchen zu streuen und begannen, durch das Universum zu reisen. Dieses epochale Ereignis fand statt, als seit dem Urknall nur etwa eine Sekunde vergangen war. Wenn es gelingt, die Existenz dieser Reliktpartikel experimentell zu bestätigen, erhält die Wissenschaft unschätzbare Informationen über die Struktur eines sehr jungen Kosmos.
Bei der zweiten Art von Reaktionen "zerlegt" ein Neutrino ein Deuteron in ein Proton und ein Neutron, und Neutrinos aller drei Arten sind gleichermaßen zu dieser Reaktion fähig. Das freigesetzte langsame (wie Physiker sagen thermische) Neutron wird entweder von einem anderen Deuteron absorbiert, das sich in einen Tritiumkern verwandelt, oder von einem Chlor-35-Kern, der Chlor-36 erzeugt. In beiden Fällen werden Gammaquanten emittiert, die benachbarte Atome ionisieren. Durch Ionisation entstehen wieder schnell bewegte Elektronen, die auch von Photomultipliern durch ihre Cherenkov-Strahlung detektiert werden. Salz wurde hinzugefügt, da Chlorkerne langsame Neutronen viel besser absorbieren als Deuteriumkerne.
Einfallende Neutrinos bemerken Deuteriumkerne möglicherweise überhaupt nicht und werden stattdessen von Elektronenhüllen gestreut. Auch Neutrinos aller Art nehmen an dieser Reaktion teil, obwohl elektronische sechsmal häufiger daran teilnehmen als andere. Es liefert jedoch kein klar definiertes charakteristisches Spektrum und produziert darüber hinaus zehnmal weniger beobachtete Ereignisse (etwa 3 pro Tag statt 30), so dass es beim Betrieb des Detektors praktisch nicht verwendet wurde.
Sadbury Observatory wurde im Mai 1999 in Betrieb genommen. Zuerst arbeitete sie mit reinem schwerem Wasser; Natriumchlorid wurde mehr als zwei Jahre nach Abschluss einer vorläufigen Messreihe zugesetzt. Im Frühjahr 2002 gaben Experimentatoren bekannt, dass die solare Neutrino-Flussdichte, berechnet auf der Grundlage des Nachweises von Produkten einer Reaktion des zweiten Typs, 5,09 Millionen pro Quadratzentimeter betrug und ungefähr dreimal so hoch war wie ihr Wert (1,75 Millionen pro 1 cm2) berechnet basierend auf der Ausbeute der Reaktion des ersten Typs. Dieser Wert stimmte mit guter Genauigkeit mit den Ergebnissen überein, die auf der Grundlage des Standard-Sonnenfusionsmodells vorhergesagt wurden. Damit wurde erstmals direkt nachgewiesen, dass auf der Sonne eine theoretisch errechnete Anzahl von Elektron-Neutrinos geboren wird, von denen sich ein Drittel auf dem Weg zur Erde in Myon-Neutrinos und ein weiteres Drittel in Tau-Neutrinos umwandelt (solche Übergänge nennt man Neutrinooszillationen). Später wurde zur Kontrolle der erh altenen Ergebnisse eine andere Nachweismethode verwendet, die bis zum Abschluss des Experiments im November 2006 verwendet wurde. Seitdem wurde das Sadbury Neutrino-Teleskop modifiziert und wird nun in neuen Forschungsprojekten eingesetzt.
Reliktprobleme
Wenn die Aufgabe, solare Neutrinos zu entdecken, schwierig, aber machbar ist, dann ist der Nachweis von Relikt-Neutrinos ein echtes Problem. Der Punkt ist nicht, dass es wenige Reliktneutrinos gibt – ihre Dichte stimmt praktisch mit der Dichte von Reliktphotonen überein, die von Radioteleskopen im Mikrowellenbereich perfekt erfasst werden. Das Problem ist, dass die kinetische Energie solcher Neutrinos völlig vernachlässigbar ist. Zum Zeitpunkt ihrer Veröffentlichung waren es etwa eine Million Elektronenvolt, aber seitdem hat sie sich um das 10-Milliardenfache verringert! Erinnern wir uns, mit welcher Mühe und mit welchen teuren gigantischen Anlagen Physiker Neutrinos registrieren, die in Kernreaktoren und in den Tiefen der Sonne entstehen - und doch werden ihre Energien in vielen Kiloelektronenvolt gemessen. Es ist kein Zufall, dass fast alle Experten die Schaffung von Geräten zum Nachweis von Relikt-Neutrinos für eine sehr ferne Zukunft h alten. Mark Whittle, Professor für Astronomie und Kosmologie an der University of Virginia, und der Fermilab-Kosmologe Scott Dodelson äußerten in einem Interview mit PM wortlos ihre Zuversicht, dass solche Neutrino-Teleskope in diesem Jahrhundert nicht erscheinen werden.
Dennoch wurde am Massachusetts Institute of Technology ein Forschungsprogramm gestartet, dessen Zweck gerade darin besteht, Relikt-Neutrinos nachzuweisen. Einer der Hauptbeteiligten, Professor Joseph Formaggio, sprach in einem exklusiven Interview mit PM über dieses Projekt.
Zeitachse des Universums
Eine Sekunde kommt mir wie eine kurze Zeit vor. Für das Universum ist die vergangene Sekunde seit dem Urknall jedoch ein riesiger Zeitraum, in dem viele Ereignisse passiert sind. Wenn sich das Universum ausdehnt und abkühlt, beginnen sich die fundamentalen Kräfte zu trennen. Unmittelbar nach dem Planck-Moment (10^–43 s) löst sich die gravitative Wechselwirkung auf. Starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen bis zum Zeitpunkt 10^–36 s stellen eine einzige dar (dies ist die Ära der Großen Vereinigung der Wechselwirkungen). Danach wird die starke Wechselwirkung getrennt. Und schließlich wird die elektroschwache Wechselwirkung in schwache und elektromagnetische unterteilt.
Reaktion ohne Schwelle
„Alle modernen Methoden zum Nachweis von Neutrinos funktionieren nicht mehr, wenn die kinetische Energie dieser Teilchen unter einer bestimmten unteren Schwelle liegt“, sagt Professor Formaggio. - Am Sadbury Underground Observatory in Kanada zum Beispiel „hacken“solare Neutrinos Deuteriumkerne entweder direkt in ihre Bestandteile Neutronen und Protonen oder bewirken, dass sich intranukleare Neutronen in Protonen umwandeln, indem sie mit ihren Bestandteilen Quarks interagieren. Die Energieschwelle dieser Reaktionen ist unermesslich höher als die Energie von Relikt-Neutrinos. Es gibt jedoch eine Reaktion, die frei von einer solchen Einschränkung ist - der Beta-Zerfall von Tritium, dem schwersten Wasserstoffisotop. Der Kern dieses radioaktiven Elements zerfällt spontan in einen Helium-3-Kern, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino. Ebenso kann ein Neutrino mit einem Tritiumkern kollidieren und ihn in ein Elektron und ein leichtes Heliumisotop verwandeln. Und da Tritiumkerne selbst instabil sind, eignen sich Neutrinos beliebig niedriger Energien zum Starten dieser Reaktion, einschließlich der im Weltraum verstreuten Relikte.
Aber wie kann man die durch Neutrino-Einschläge stimulierten Zerfälle von den viel häufigeren spontanen Zerfällen derselben Kerne unterscheiden? Es stellt sich heraus, dass der Energieerh altungssatz erfolgreich zur Lösung dieses Problems eingesetzt werden kann. Da das Antineutrino beim spontanen Zerfall des Tritiumkerns einen Teil seiner Anfangsenergie wegträgt, fällt die kinetische Gesamtenergie der beiden geladenen Endteilchen, also des Elektrons und des Helium-3-Kerns, etwas geringer aus als beim Zerfall des Kerns nach dem Einfang des Neutrinos. Wenn wir die Energiespektren der Endprodukte des Beta-Zerfalls von Tritiumkernen vergleichen, können wir darunter genau diejenigen unterscheiden, die auf den Einfang von Relikt-Neutrinos zurückzuführen sind.
Tritium wird in Kernreaktoren hergestellt, es ist extrem teuer und seine Gesamtreserven betragen nur einige zehn Kilogramm. Wie viel von diesem Isotop wird benötigt, um Relikt-Neutrinos nachzuweisen? Laut Joseph Formaggio zeigen Berechnungen, dass 100 g Tritium für die jährliche Registrierung von zehn Relikt-Neutrinos völlig ausreichen, was für die Zwecke der Kosmologie völlig ausreichend ist. Die Analyse von Zerfallsspektren erfordert jedoch Instrumente mit einer Auflösung in der Größenordnung der Neutrino-Ruhemasse. Die Herstellung solcher Geräte ist eine äußerst schwierige Aufgabe, da nach neuesten Daten die Ruhemasse des Neutrinos im Bereich von 0,05 bis 2 eV liegt. „Unsere Gruppe führt gerade Entwicklungen durch, deren Ergebnisse die Grundlage für die Herstellung solch hochempfindlicher Spektrometer bilden können“, sagt Prof. Formaggio. - Wir denken, dass dies durchaus möglich ist, obwohl die Arbeit einige Jahrzehnte dauern kann. Aber ich bin erst 36 Jahre alt und es ist noch ein langer Weg. Obwohl echte Neutrino-Teleskope natürlich viel später erscheinen werden.“
Geschichte des Universums
Warum sollte man sich mit dem komplizierten und teuren Einfangen von Relikt-Neutrinos beschäftigen? Tatsache ist, dass diese Partikel einst eine wahrhaft gigantische Rolle bei der Gest altung der materiellen Zusammensetzung unserer Welt gespielt haben. Hätten sie sich nicht genau zu diesem Zeitpunkt von ihren massereicheren Partnern abgedockt, wäre die Evolution des Universums ganz anders verlaufen. Worauf basiert diese Prognose? Als das Alter des Universums die Marke von 10 Mikrosekunden überschritten hatte, waren keine freien Quarks mehr darin, die zu Teilchen der Baryonenfamilie verschmolzen - Protonen und Neutronen (Quarks verbanden sich auch zu sehr instabilen Mesonen, aber sie zerfielen schnell und, sozusagen aus dem Verkehr gezogen). Neben Protonen und Neutronen hatte das damalige Universum eine Fülle von Elektronen und Positronen (letztere waren etwas weniger und verschwanden daher aufgrund der Vernichtung bis zum Ende der zehnten Sekunde vollständig) sowie Photonen und Neutrinos, die Anzahl von Das war fast eine Milliarde Mal größer als die Anzahl der Baryonen. Während die Materie ausreichend dicht und heiß blieb, interagierten Neutrinos intensiv mit Protonen und Neutronen und zwangen sie, sich ineinander zu verwandeln (ähnliche Prozesse sind charakteristisch für den Beta-Zerfall von Atomkernen). Aber das Universum expandierte und kühlte infolgedessen so stark ab, dass die Neutrinos aufhörten, an Baryonen zu streuen, und in den freien Flug übergingen. Es geschah kurz nachdem ihr Alter eine Sekunde erreicht hatte. Von diesem Moment an wurde der Weltraum für Neutrinos transparent und ist es bis heute geblieben.
Tief in kanadischen Minen
Das Neutrino-Observatorium SNO befindet sich in der Nickelmine Creighton bei Sadbury in der kanadischen Provinz Ontario. Für die Platzierung des Detektors wurde eine Höhe von 2070 m (6800 Fuß) gewählt. Mehr als 2 km felsiger Boden schützen den empfindlichen Detektor vor kosmischer Strahlung (das entspricht etwa 6 km Wasser). Derzeit wurde SNO aufgrund des Endes des Experiments in das weltweit tiefste unterirdische Labor SNOLAB umgewandelt.
Die Entkopplung von Neutrinos und Baryonen hinterließ eine ungleiche Anzahl von Protonen und Neutronen. Da das Neutron etwas schwerer ist als das Proton, brauchte es Energiezufuhr vom Neutrino, um sich in ein Proton zu verwandeln. Solange Dichte und Temperatur der Materie eine bestimmte Grenze nicht unterschritten, hielt das Neutrino-Medium die Dichte von Protonen und Neutronen praktisch auf gleichem Niveau. Als jedoch Neutrinos aufhörten, an Baryonen zu streuen, überholte der energetisch günstige Prozess des Übergangs von Neutronen in Protonen den umgekehrten Prozess der Produktion von Neutronen aus Protonen. Nachdem die Neutrinos aus dem Spiel waren, stellte sich heraus, dass das Verhältnis von Protonen zu Neutronen 6:1 betrug. Dank dessen begann bald die Heliumsynthese im Universum und erhielt eine bis heute erh altene chemische Zusammensetzung (obwohl die Sterne später etwa zwei Prozent Wasserstoff und Helium zu schwereren Elementen verarbeiteten, aber der Löwenanteil ihrer Kerne war noch erh alten).
Alternatives Universum
Versuchen wir uns vorzustellen, was passieren würde, wenn Neutrinos etwas früher oder etwas später aufhören würden, mit Baryonen zu interagieren. Angenommen, dies geschah, als das Alter des Universums eine Zehntelsekunde betrug. Zu diesem Zeitpunkt hatte es fast die gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen. Das bedeutet, dass sie sich später alle zu Kernen des Hauptisotops Helium (zwei Protonen und zwei Neutronen) verbinden würden und es praktisch keinen freien Wasserstoff mehr im Universum geben würde. Im Prinzip könnten Heliumwolken schließlich einer Gravitationskondensation unterliegen und Sterne entstehen lassen, von denen einige Planetensysteme erh alten würden. Diese Planeten hätten jedoch keinen Wasserstoff und folglich kein Wasser, ohne das wir uns die Entstehung des Lebens nicht vorstellen können.
Blicke im Dunkeln
Die „Augen“des Detektors sind äußerst empfindliche Photomultiplier. Fast 9.600 dieser Rohre sind an einem geodätischen Rahmen befestigt, der einen Acryl-Schwerwassertank umgibt. Solare Neutrinos verursachen, wenn sie in schweres Wasser eindringen, eine Reihe von Reaktionen, die zum Auftreten von Elektronen führen, die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Wasser bewegen. Dies führt zum Auftreten von Cherenkov-Strahlung, die von Photomultipliern nachgewiesen wird.
Betrachte nun den umgekehrten Fall. Nehmen wir an, dass die Neutrinos von den Baryonen abgekoppelt wurden, als ihre Energie im Vergleich zu dem, was tatsächlich passierte, bereits erheblich gesunken war – sagen wir, als das Alter des Universums 100 Sekunden erreichte. Dann gäbe es auf 100 Millionen Protonen nur ein Neutron. Das bedeutet aber, dass es im Universum kein Helium geben würde und es bis zum Erscheinen der ersten Sterne reiner Wasserstoff bleiben würde. Es ist wahr, dass Sterne anfänglich kein Helium brauchen, um sie in Brand zu setzen, also würden sie immer noch entstehen und schwerere Elemente gebären, aber es wäre immer noch ein völlig anderes Universum.
Die Existenz von Relikt-Neutrinos ergibt sich aus dem allgemein akzeptierten kosmologischen Modell der Evolution des Universums. Die Registrierung dieser Teilchen und die Bestimmung ihrer kinetischen Energie wird es daher ermöglichen, eine der wichtigsten Schlussfolgerungen dieses Modells direkt zu verifizieren (was sicherlich mit einem Nobelpreis belohnt wird). Die Kartierung des Neutrinohimmels wird die Möglichkeit bieten, Korrelationen zwischen Schwankungen in der Neutrinoflussdichte und der aktuellen Verteilung von Galaxien und Galaxienhaufen zu identifizieren, was an sich schon eine große wissenschaftliche Errungenschaft sein wird. Schließlich wird der Nachweis von Relikt-Neutrinos es ermöglichen, die Masse dieses bisher nur sehr ungefähr bekannten Teilchens zu verfeinern. Und wenn sich die Hoffnungen von Joseph Formaggio und anderen Physikern erfüllen, die sich mit der Suche nach Relikt-Neutrinos beschäftigen, dann werden wir selbst und nicht nur unsere Enkel und Urenkel auf solche Entdeckungen warten.
