Die Zukunft der Neutrino-Kosmologie

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Weekly Science Update – Übersetzt von Harald Horneff

Eine Aufnahme des Keck Array Teleskops am Südpol, eine von mehreren Einrichtungen, dazu bestimmt, die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu untersuchen. Ein neuer Bericht behandelt die Frage, wie Einrichtungen, die den Mikrowellen-Hintergrund messen, im nächsten Jahrzehnt die Astronomen und Physiker zusätzlich in die Lage versetzen werden, die Natur der schwer fassbaren Teilchen, den sogenannten Neutrinos, zu untersuchen und zu grundlegenden Einsichten in die elementaren Gesetze der Natur führen. Harvard / Keck Array

 

Einer der bemerkenswertesten Sichtweisen der modernen Kosmologie besteht in der Auffassung, daß die Eigenschaften der größten physikalischen Strukturen im Universum die Eigenschaften der Kleinsten enthüllen. Die größten Strukturen umfassen die gewaltigen Muster, welche in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (cosmic microwave background radiation, kurz CMBR) sichtbar sind und die filamentartigen Verdichtungen und Knoten von Galaxienhaufen im frühen Universum; die kleinsten Strukturen sind unter anderem die geisterhaften Neutrinos. Von diesen schwer zu messenden Teilchen vermutete man über viele Jahrzehnte, daß sie keine Masse besitzen und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, etwa wie die Photonen (Quanten / Teilchen des Lichts). Sie sind so schwer zu messen, da sie nur sehr schwach mit anderen Formen von Materie in Wechselwirkung treten und meist unbeeinträchtigt Materie durchdringen.

Während der vergangenen Jahrzehnte haben Wissenschaftler entdeckt, daß es drei Arten von Neutrinos gibt und jede Art ein wenig Masse besitzt. Die leichteste Art besitzt etwa eine Million Mal weniger Masse als ein Elektron. Der Grund, warum leichtgewichtige Neutrinos solch eine kosmologische Bedeutung besitzen liegt daran, daß es so viele von ihnen gibt: die größte Zahl an Teilchen im Kosmos stellen die Photonen der CMBR, gebildet in den späteren Abschnitten des Urknalls, doch die zweitgrößte Zahl stellen die Neutrinos. Da die Neutrinos im Gegensatz zu den Photonen eine geringe Masse besitzen, führt ihre große Zahl heute zu einer Massedichte (oder gleichbedeutend, einer Energiedichte), die mindestens 25-mal größer ist als die der Photonen der CMBR. Die hohe Dichte dieser Teilchen, die durch andere kosmische Materie strömen, ohne mit ihr in Wechselwirkung zu treten, neigt dazu, das Wachstum galaktischer Strukturen (wie die filamentartige Verdichtung von Galaxien) zu unterdrücken. Diese Auswirkung kann gemessen und beziffert werden.

Neutrinos haben auch auf zwei weitere wichtige Forschungsfelder Auswirkungen. Das erste ist das Verständnis von Dunkler Materie. Obwohl Neutrinos selbst keine Dunkle Materie sind, muß man ihre Gesamtmasse verstanden und bestimmt haben, um Dunkle Materie genau untersuchen zu können. Das zweite Forschungsfeld ist ein tieferes Verständnis der den Elementarteilchen und Kräften zugrunde liegenden Physik. Eine genauere Massebestimmung aller drei Neutrinoarten würde die Zahl der gegenwärtigen Modelle der Physik einschränken. Da Neutrinos jedoch nur schwach mit Materie wechselwirken, sind erdgebundene Messungen äußerst schwierig durchzuführen und so sind im Ergebnis die Massen der Neutrinos heute nur näherungsweise mit einer Genauigkeit von ungefähr 10% bekannt. Dagegen gewinnen kosmische Messungen die Neutrinomassen durch Untersuchungen, wie Neutrinos kosmische Strukturen formen und versprechen, ein aussichtsreicherer Weg zu sein, um richtige und eindeutige Werte zu erhalten.

Eine Gruppe Physiker und Astronomen aus aller Welt hat einen ausführlichen Bericht über die Zukunft der astrophysikalischen Neutrinomessungen veröffentlicht. Die Arbeit faßt einige neue, geplante Experimente zusammen, die darauf abzielen, den Einfluß der kosmischen Neutrinos zu messen, und worauf die Erwartung beruht, daß im nächsten Jahrzehnt die Astronomie in der Lage sein wird, die Masse der Neutrinos auf Werte einzugrenzen, die etwa 10-mal genauer und eindeutiger sind als die Werte von heute – genau genug um erkennen zu lassen, ob die heutige Teilchenphysik annähernd richtig ist oder ersetzt werden muß und um die Natur der Dunklen Materie aufzuhellen.

Literatur:
„Neutrino Physics from the Cosmic Microwave Background and Large Scale Structure“
K.N. Abazajian et al.
Astroparticle Physics: Volume 63, 15 March 2015, Pages 66-80