Die Quantenwelt: Wie hängen sterile Neutrinos und Dunkle Materie zusammen?

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Die häufigsten Teilchen in der Natur, mit Ausnahme von Photonen (Lichtteilchen), sind Neutrinos. Sie haben keine Ladung und stammen von der Sonne sowie von Supernovae und anderen kosmischen Ereignissen. Darüber hinaus gehen derzeit etwa eine Billion Neutrinos durch Ihre Hand! Wissenschaftler identifizieren mehrere Arten oder Sorten von Neutrinos: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos, und sie hoffen auch auf die Existenz eines vierten Typs – “sterile Neutrinos”. Wenn sie wirklich existieren, würden sie dazu beitragen, einige grundlegende Rätsel der Physik zu lösen, zum Beispiel warum Neutrinos eine Masse haben, während Theorien vorhersagen, dass diese Teilchen keine Masse haben sollten? Sterile Neutrinos wurden auch mit einer mysteriösen Substanz in Verbindung gebracht, die 85% des beobachtbaren Universums ausfüllt – dunkle Materie, die den Weltraum durchdringt. Frühere Experimente sagten die Anwesenheit dieser mysteriösen Teilchen voraus, aber hier ist das Problem: Die Theorie sagt auch die mögliche Existenz von nicht nur “sterilen” Teilchen voraus. Neutrinos, aber auch viele andere, zusätzliche Teilchen. Diese Neutrinos könnten durch ihre eigenen geheimen Kräfte irgendwo im hinteren Teil des Universums miteinander interagieren. Aber das Wichtigste zuerst.

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Die Quantenwelt birgt viele Geheimnisse, von denen wir einen winzigen Teil versuchen zu verstehen

Inhalt

  • 1 Woraus besteht alles drumherum?
  • 2 Geheimnisvolle Neutrinos
  • 3 Auf der Suche nach sterilen Neutrinos
  • 4 Was hat Dunkle Materie damit zu tun?

Was ist alles herum?

Physikalisch gesehen bestehen wir aus Quarks und Leptonen. Wie Mikhail Vladimirovich Danilov, Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften, in seinem Video für Post-Science erklärt, bestehen Neutronen aus u-Quarks und d-Quarks und bilden Atomkerne. Atome werden aus Atomkernen und Elektronen gebildet, die sich dann zu Molekülen verbinden und absolut alles bilden, was wir um uns herum sehen.

Stimmen Sie zu, ein ziemlich einfaches Bild. Elektronen in Atomen werden durch elektromagnetische Wechselwirkung zusammengehalten und ihr Träger sind Photonen. Quarks innerhalb eines Protons und eines Neutrons werden durch starke Wechselwirkung zusammengehalten, deren Träger Gluonen sind.

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Das Higgs-Boson hat sich in der Welt der Elementarteilchen stark verändert

Aufgrund der starken Wechselwirkung sind Protonen und Neutronen im Atomkern gehalten, und die schwache Wechselwirkung ist für den Übergang eines Neutrons in ein Proton, Elektron und Antineutrino verantwortlich. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass jedes Teilchen sein eigenes Antiteilchen besitzt , das sich vom Teilchen durch eine negative Ladung unterscheidet, bemerkt Danilov.

Aber trotz eines so eleganten und scheinbar einfachen Bildes ist die Natur nicht so einfach. Und der Beweis dafür ist die Existenz einer weiteren Gruppe von Quarks und Leptonen, die Physiker Generationen nennen. Interessanterweise sind diese Teilchen schwerer als gewöhnliche Quarks und Leptonen, aber sie sind nicht um uns herum. Sie treten nur in seltenen Fällen auf.

Was wissen wir also letztendlich über das Universum?

Quarks und Leptonen gibt es in der Natur. Quarks nehmen an starken Wechselwirkungen teil, Leptonen nicht.

Tatsächlich sind diese winzigen Partikel die Grundlage für alles, was wir sehen. Das 2012 entdeckte Higgs-Boson scheint das Bild zu vervollständigen, da es allen anderen Teilchen im Standardmodell die Masse gibt. Ich habe Ihnen in diesem Artikel mehr darüber erzählt, was das Standardmodell ist und wie Physiker Materie in Atome aufspalten, und ich empfehle Ihnen, es zu lesen.

Mysteriöse Neutrinos

Aber zurück zu Neutrinos. In den 1990er Jahren passierte beim Experimentieren mit diesen mysteriösen Teilchen etwas Seltsames: Zu viele Teilchen tauchten im Detektor auf. Im Jahr 2002 starteten Wissenschaftler ein weiteres Experiment, um herauszufinden, was passiert ist. Auch dieser Test zeigte erstaunliche Ergebnisse – aber auf eine andere Art.

Neutrinos sind mysteriöse Quantenteilchen, die eine Masse haben, aber sehr klein und schwer zu messen sind. Sie sind erstaunlich, weil die Masse, die sie enthalten, nicht im Standardmodell enthalten ist, das die subatomare Welt beschreibt.

Diese überschüssigen Partikel in frühen Experimenten beunruhigten die Wissenschaftler. Tatsache ist, dass sie wie mögliche Anzeichen für die Existenz sogenannter “steriler Neutrinos” aussahen, die normale Neutrino-Aromen (wie Physiker sie poetisch nennen): Sterile Neutrinos würden nur mit Hilfe mit anderen Teilchen interagieren der Schwerkraft, während die bekannten drei Geschmacksrichtungen von Neutrinos – durch schwache Wechselwirkung.

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Physiker nennen verschiedene Quarks auf poetische Weise Aromen

Und doch können sie aufgrund einer seltsamen Eigenschaft, die all diese Teilchen besitzen, andere Neutrinos beeinflussen: die Fähigkeit zu 'schwingen'. oder den Duft ändern. Ein Teilchen wie ein Elektron-Neutrino kann sich in ein Tau- oder Myon-Neutrino verwandeln und umgekehrt. Diese Transformation tritt normalerweise auf, wenn Neutrinos eine bestimmte Distanz zurücklegen, aber in anderen Experimenten scheint sie schneller zu sein.

Im Jahr 2013 wurde die Existenz steriler Neutrinos jedoch in Frage gestellt, da Forschungen am Max-Planck-Institut in Deutschland zum frühen Universum keine Spuren von ihnen fanden, wie beispielsweise die Zeitschrift Quanta in diesem Zusammenhang erklärt. < /p>

Mehr zum Thema: Physiker haben ein neues Elementarteilchen entdeckt – Tetraquark

Seitdem gibt es Vermutungen über die Möglichkeit der Existenz nicht eines sterilen, sondern vieler weiterer Neutrinos, die könnten durch ihre eigenen geheimen Kräfte an einem Ort im Universum, den wir noch nicht kennen, miteinander interagieren.

Auf der Suche nach sterilen Neutrinos

Der LSND-Neutrino-Detektor am Los Alamos National Laboratory und der MiniBooNE-Neutrino-Beschleuniger am Fermilab National Accelerator Laboratory (Fermilab) ermöglichten den Forschern überraschende Schlussfolgerungen zu ziehen.

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Seit mehr als zwanzig Jahren suchen Physiker nach einem mysteriösen sterilen Neutrino

Interessanter Fakt
Früher dachte man dass myonische Neutrinos sich in sterile Neutrinos und dann in Elektron-Neutrinos verwandeln könnten – dieser Prozess kann schneller ablaufen als ein einfacher Wechsel des Myon-Aromas auf das elektronische.

Physiker erzeugen in ihren Experimenten einen Strom von Myon-Neutrinos und schicken sie zu einem 470 Meter entfernten Detektor. Der Detektor – ein riesiges Reservoir, das mit 170 Tonnen reinem flüssigem Argon gefüllt ist – wartet darauf, Neutrinos zu fangen, wenn eines der Argonatome mit dem Kern kollidiert. Solche Kollisionen sind äußerst selten, und die einzigen Anzeichen sind Sekundärteilchen, die durch die Wechselwirkung erzeugt werden.

Laut Scientific American gaben Wissenschaftler am 27. Oktober die mit dem MicroBooNE-Detektor erhaltenen Ergebnisse bekannt und erklärten, dass keine Zeichen zeigt das Vorhandensein zusätzlicher Partikel an.

Ja, das ist ein bisschen seltsam, sagt Bonnie Fleming, Sprecherin von MicroBooNE von der Yale University. & # 171; In früheren Experimenten wurden zusätzliche Teilchen beobachtet, die Elektronen oder Photonen ähnlich sind & # 187; – bemerkt er.

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MicroBooNE-Teilchendetektor

Interessant: Wissenschaftler kommen dem Verständnis näher, warum es im Universum weniger Antimaterie als Materie gibt

MicroBooNE kann jedoch die Bewegungsrichtung der Partikel und die Energie, die die Partikel abgeben, genauer bestimmen. So können Physiker entscheiden, ob etwas ein Elektron oder ein Photon ist. Der wahre Triumph des Experiments ist, dass die Technologie so gut funktioniert.

Die Forscher sind sich jedoch ziemlich sicher, dass es dort, wo sie gesucht haben, keine zusätzlichen Elektronen oder Photonen gibt, was die Hoffnung dämpft, sterile Neutrinos zu finden … Wenn sich myonische Neutrinos schnell in sterile Neutrinos und dann in Elektronneutrinos verwandeln könnten, würden Elektronen im Detektor erscheinen.

Der Detektor ist nicht weit genug von seiner Quelle entfernt, damit die übliche Oszillation eines Myon-Neutrinos zu einem Elektron-Neutrino auftritt

Aber wenn es keine zusätzlichen Elektronen oder Photonen gibt, was sind dann diese überschüssigen Teilchen, die von LSND und MiniBooNE nachgewiesen wurden? Eine Antwort ist, dass in keinem der vorherigen Experimente unerklärliche Neutrinokollisionen tatsächlich aufgetreten sind und dass die Forscher im Fall von MiniBooNE während des Experiments einfach einige Interferenzen im Detektor übersehen haben.

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Der Detektor ist nicht weit genug von seiner Quelle entfernt, um die übliche Oszillation eines Myon-Neutrinos zu einem Elektron-Neutrino zu ermöglichen.

Andere stimmen zu. “Es ist sehr unwahrscheinlich, dass es einen Fehler im Detektor gegeben hat”, sagte der theoretische Physiker der Northwestern University Andre de Gouvea gegenüber Reportern. Es muss eine neue Quelle von entweder Elektronen oder Photonen oder so etwas wie Elektronen oder Photonen geben. Vielleicht, sagt er, geht etwas Komplexeres vor sich.

Diese Teilchen können in andere zerfallen – zum Beispiel ein gewöhnliches Neutrino und etwas Exotisches, zum Beispiel 'Dunkles Photon'. (Physiker, ein Cousin der gewöhnlichen Photonen, nehmen seine Existenz an, aber es gibt bis heute keine Beweise für ihre Existenz.)

Siehe auch: Sollte man der Wissenschaft vertrauen?

Was bedeutet Dunkle Materie damit zu tun haben?

Dennoch bleiben sterile Neutrinos eine attraktive Perspektive für Physiker. Sie sind wahrscheinlich ein Nebenprodukt von Theorien, die versuchen zu erklären, warum Neutrinos überhaupt Masse haben. Darüber hinaus können diese mysteriösen Teilchen helfen zu erklären, was Dunkle Materie ist.

Tatsache ist, dass einige Arten von sterilen Neutrinos selbst Kandidaten für Dunkle Materie sein können oder Teil des & # 171; Dunklen Sektors & # # 171; 187; in dem ein Teilchen der Dunklen Materie mit sterilen Neutrinos assoziiert ist oder in diese zerfällt. Und herauszufinden, was in diesen Neutrino-Experimenten vor sich geht, könnte der erste Schritt zur Beantwortung dieser umfassenderen Fragen sein.

Das ist wirklich interessant, weil alle offensichtlichen Möglichkeiten bereits getestet wurden, sagen die Forscher.

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Da dunkle Materie keine elektromagnetische Wechselwirkung mit Lichtphotonen eingeht, ist es unmöglich, sie direkt zu beobachten

Sie werden interessiert sein: Kann dunkle Materie aus gewöhnlichem . gebildet werden? egal?

Wie von Janet Konrad, Physikerin am Massachusetts Institute of Technology (MIT), und Carlos Arguelles-Delgado, Physiker an der Harvard University, vorgeschlagen, können sterile Neutrinos in eine Ansammlung unsichtbarer Teilchen zerfallen: Sie würden die Existenz eines dunklen Sektors bestätigen , gezüchtet als Alternative zur Unmöglichkeit des Nachweises & # 171; intakt & # 187; sterile Neutrinos.

Lassen Sie mich daran erinnern, dass Dunkle Materie nicht aus gewöhnlichen Teilchen wie Elektronen, Protonen oder Elektronen besteht, daher wird angenommen, dass sie aus einem Teilchen bestehen sollte wird vom Standardmodell nicht erkannt.

Historisch sterile Neutrinos waren Kandidaten für die Erklärung der Zusammensetzung der Dunklen Materie. Daher würde die Überprüfung, dass sie den dunklen Sektor mit unsichtbaren Teilchen, die ihre direkten Nachkommen sind, dominieren, auch erklären, warum sich das Universum ständig ausdehnt.

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Vielleicht entdecken Wissenschaftler bald etwas, das die moderne Physik für immer verändern wird

Mehr zum Thema: Wissenschaftler glauben, dass sich dunkle Materie in einer zusätzlichen Dimension verstecken könnte

Kurz gesagt, das Gute ist, dass wir über die Werkzeuge verfügen, um dieses Thema weiter zu untersuchen. Wir hoffen also, dass die Wissenschaftler der Sache auf den Grund gehen. Die Suche nach sterilen Neutrinos geht weiter, bleibt dran und abonniert unseren Telegram-Kanal, damit ihr definitiv nichts Interessantes verpasst!