Die Entdeckung von Neutrinos revolutionierte die Physik. Dank dieser Elementarteilchen, die im Zuge der nuklearen Transformation entstanden sind, konnte erklärt werden, woher die Energie der Sonne kommt und wie lange sie noch leben muss. RIA Novosti spricht über die Eigenschaften von solaren Neutrinos und warum sie untersucht werden sollten.
Warum scheint die Sonne?
Physiker haben seit den 1930er Jahren die Existenz eines mysteriösen Elementarteilchens mit null Ladung vermutet, das während des radioaktiven Zerfalls emittiert wird. Der italienische Wissenschaftler Enrico Fermi nannte es ein kleines Neutronenneutrino. Dieses (damals noch hypothetische) Teilchen half, die Natur der Leuchtkraft der Sonne zu verstehen.
Berechnungen zufolge erhält jeder Quadratzentimeter der Erdoberfläche zwei Kalorien von der Sonne pro Minute. Bei Kenntnis der Entfernung zum Stern war es nicht schwierig, die Leuchtkraft zu bestimmen: 4 * 1033 erg. Woher kommt es - diese Frage wurde lange nicht beantwortet. Wenn die Sonne, die hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, einfach verbrannt würde, hätte sie seit zehntausend Jahren nicht mehr existiert. In Anbetracht der Tatsache, dass das Volumen während der Verbrennung abnimmt, sollte die Sonne im Gegenteil durch die Schwerkraft erwärmt werden. In diesem Fall wäre es in etwa dreißig Millionen Jahren erloschen. Und da sein Alter mehr als vier Milliarden Jahre beträgt, verfügt es über eine konstante Energiequelle.
Eine solche Quelle bei monströsen Temperaturen innerhalb eines Sterns kann die Reaktion der Heliumfusion von zwei Protonen sein, die in den Wasserstoffkern eintreten. In diesem Fall wird viel Wärmeenergie freigesetzt und ein Neutrinoteilchen gebildet. Aufgrund ihrer Größe könnte die Sonne zehn Milliarden Jahre lang brennen, bevor sie sich schließlich abkühlt und sich in einen roten Riesen verwandelt.
Um von der Gültigkeit dieser Hypothese überzeugt zu sein, war es notwendig, in der Sonne geborene Neutrinos zu registrieren. Berechnungen zeigten, dass dies schwierig sein würde, da das Teilchen sehr schwach mit Materie interagiert und eine erstaunliche Durchdringungsfähigkeit besitzt. Wenn es geboren wird, reagiert es mit nichts anderem und erreicht die Erde in acht Minuten. Wenn die Sonne scheint, wird jeder Quadratzentimeter unserer Haut von ungefähr hundert Milliarden Neutrinos pro Sekunde durchbohrt. Das merken wir aber nicht. Teilchenströme passieren leicht Planeten, Galaxien und Sternhaufen. Übrigens fliegen Reliktneutrinos, die in den ersten Sekunden des Urknalls geboren wurden, immer noch im Universum.
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Gefangen für Gift, Wasser und Metall
Trotz der Inertheit kollidieren Neutrinos manchmal immer noch mit Atomen der Materie. Es gibt nur wenige solcher Ereignisse pro Tag. Wenn Sie den Detektor vor Photonen, kosmischer Strahlung und natürlicher Radioaktivität schützen, kann das Ergebnis von Kollisionen registriert werden. Deshalb werden Neutrinofallen tief unter der Erde oder in Gebirgstunneln platziert.
Die erste Methode zur Registrierung von Solarneutrinos wurde 1946 vom italienischen Physiker Bruno Pontecorvo vorgeschlagen, der in Dubna bei Moskau arbeitete. Er schrieb eine einfache Reaktion der Wechselwirkung eines Teilchens mit einem Chloratom, die zur Geburt von radioaktivem Argon führte. Eine solche Installation wurde im unterirdischen Labor von Homestake in den USA gebaut, wo 1970 erstmals solare Neutrinos aufgenommen wurden. Im Jahr 2002 erhielt der Physiker Raymond Davies, der diese Ergebnisse erhielt, den Nobelpreis.
Vadim Kuzmin vom Institut für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften hat einen Weg gefunden, den Durchgang von Neutrinos durch eine Galliumlösung nachzuweisen. Durch die Kollision von Partikeln mit Atomen dieses Elements entsteht radioaktives Germanium. Seit 1986 arbeitet am Baksan Neutrino Observatory (Nordkaukasus) im Rahmen des gemeinsamen SAGE-Experiments in den USA ein nach diesem Prinzip basierender Detektor.
Ein Jahr zuvor hatten Beobachtungen von Neutrinos in der japanischen Kamiokande-Anlage begonnen, wo der Detektor Wasser war, das bei der Geburt der Elektronen blau leuchtete. Dies ist die sogenannte Cherenkov-Strahlung.
Solare Neutrinos gehen verloren und werden gefunden
Als Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern Daten über die Anzahl der Reaktionen von Neutrinos mit Materie gesammelt haben, stellte sich heraus, dass sie zwei- bis dreimal geringer sind als die Theorie vermuten lässt. Das Problem des Neutrino-Mangels trat auf. Um dies zu lösen, wurde vorgeschlagen, die Temperatur der Sonne zu senken und allgemein die Vorstellungen darüber zu ändern. Es dauerte drei Jahrzehnte, um die Antwort zu finden, und anstatt ein neues Modell unseres Sterns zu entwickeln, entwickelten die Physiker eine neue Theorie der Neutrinos.
Es stellte sich heraus, dass die Teilchen auf dem Weg vom Stern zur Erde in ihren verschiedenen Modifikationen wiedergeboren werden können. Dieses Phänomen wurde als Neutrinoschwingung bezeichnet. 2015 wurde der Nobelpreis für seine Bestätigung verliehen, und Experimente am Baksan Neutrino Observatory spielten eine entscheidende Rolle. Jetzt ist geplant, dort einen universellen Detektor zu bauen, der alle Arten von Neutrinos und Antineutrinos aus allen Quellen registriert: die Sonne, das Zentrum der Galaxie, aus dem Erdkern.
Wenn Physiker zunächst Neutrinos untersucht haben, um die Sonne und die darin stattfindende thermonukleare Fusion besser zu verstehen, hat dieses fundamentale Teilchen jetzt Wissenschaftler an sich interessiert. Es ist bekannt, dass die Masse der Neutrinos sehr klein ist, aber sie wurde noch nicht sicher berechnet. Und dies ist wichtig, um die Natur der verborgenen Masse des Universums zu verstehen. Die Existenz eines sterilen Neutrinos wird ebenfalls vermutet, das nur durch die Schwerkraft mit Materie interagiert. Astronomen setzen große Hoffnungen auf die Neutrinophysik, da sie damit in die Eingeweide von Sternen und Schwarzen Löchern schauen und den Ursprung des Weltraums kennenlernen können. Die Geheimnisse der Neutrinos werden weiterhin in vielen Observatorien der Welt verstanden, einschließlich derer, die sich in den Gewässern des Baikalsees und auf dem Gletscher der Antarktis befinden.
Tatiana Pichugina
