How big is Hochenergie-Neutrino?

Ein Hochenergie-Neutrino ist ein Neutrino, das eine sehr große Menge an Energie trägt, wie jene Neutrinos, die aus den Tiefen des Weltraums zur Erde gelangen. Neutrinos sind Elementarteilchen ohne elektrische Ladung und mit fast keiner Masse. Kein Experiment hat je die Größe eines Neutrinos gemessen, daher ist der angegebene Wert keine Messung.

Größe

Die Größenangabe lautet 15 Zeptometer, oder 1,5 × 10⁻²⁰ Meter. Ein Zeptometer ist 10⁻²¹ Meter, ein Tausendstel eines Milliardstel eines Milliardstel Meters. Die Schreibweise 10⁻²¹ bedeutet 1 geteilt durch eine 1 mit 21 Nullen dahinter. Der Explorer nennt nicht, welche Energie sein Hochenergie-Neutrino hat, und kein Experiment hat je die Größe von Neutrinos irgendeiner Energie gemessen.

Für Quarks haben Experimente immerhin eine Obergrenze für die Größe festgelegt. Bei Neutrinos sind sich Physiker nicht einmal einig, wie eine Größe überhaupt definiert werden sollte. Die Particle Data Group, die weltweit Teilchenmessungen sammelt, listet Grenzwerte für eine Größe namens Ladungsradius des Neutrinos auf. Sie merkt zudem an, dass die Bedeutung dieser Größe noch umstritten ist.

Gut bekannt ist dagegen, wie selten Neutrinos mit irgendetwas wechselwirken. Ein Neutrino spürt nur zwei der vier Grundkräfte, die schwache Wechselwirkung und die Schwerkraft. Da es keine elektrische Ladung trägt, wird es weder von elektrischen noch von magnetischen Kräften beeinflusst, und es spürt auch nicht die starke Wechselwirkung, die Quarks zusammenhält.

Größenvergleiche

Abgesehen von der Schwerkraft kann ein Neutrino ein anderes Teilchen nur über die schwache Wechselwirkung beeinflussen, die etwa 10⁻¹⁸ Meter weit reicht. Das ist weniger als ein Tausendstel der Breite eines Protons, das etwa 1,7 Femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ Meter) groß ist.
Die meisten Neutrinos durchqueren die gesamte Erde, die 12.742 Kilometer misst, ohne aufgehalten zu werden.
Die Trefferwahrscheinlichkeit steigt mit der Energie. Ein Neutrino mit einer Energie von 40 TeV (40 Billionen Elektronenvolt, wobei ein Elektronenvolt eine winzige Energieeinheit ist) legt im Mittel etwa die Breite der Erde zurück, bevor die Erde es aufhält.
Um die wenigen Neutrinos einzufangen, die tatsächlich wechselwirken, überwacht der IceCube-Detektor am Südpol einen Kubikkilometer Eis mit 5.160 Lichtsensoren, die zwischen 1.450 und 2.450 Metern unter der Oberfläche hängen.

Neutrinos aus dem Weltraum

Zwischen Mai 2010 und Mai 2012 zeichnete IceCube 28 hochenergetische Ereignisse auf, weit mehr als die etwa 11 erwarteten, die von Teilchen aus der Erdatmosphäre stammen. Die beiden energiereichsten trugen jeweils etwa 1 PeV, also 1.000 TeV. 2013 berichtete das IceCube-Team von ihnen als Hinweis auf hochenergetische Neutrinos aus dem Weltraum.

Am 13. Februar 2023 registrierte der ARCA-Detektor des KM3NeT-Teleskops, das 3.450 Meter tief im Mittelmeer vor Sizilien liegt, ein Neutrino mit einer geschätzten Energie von etwa 220 PeV. Stand 2026 ist es das energiereichste je beobachtete Neutrino. Dieses einzelne Teilchen trug etwa so viel Energie wie ein Tennisball, der aus 6 Zentimetern Höhe fällt.

Wissenschaftler vermuten, dass solche Neutrinos aus den heftigsten Orten des Universums stammen, etwa aus der Umgebung supermassereicher Schwarzer Löcher und explodierender Sterne. Dort werden Teilchen, die kosmische Strahlung genannt werden, auf enorme Energien beschleunigt und können dabei Neutrinos erzeugen.

Wie Neutrinos eingefangen werden

Neutrinos sind nach den Photonen, den Lichtteilchen, die zweithäufigsten Teilchen im Universum. Doch sie wechselwirken so selten, dass es im Lehrbuch Astronomy von OpenStax heißt: „Die Erde ist für ein Neutrino durchsichtiger, als es die dünnste und sauberste Glasscheibe für ein Lichtphoton ist.“ Sie einzufangen erfordert riesige Detektoren.

IceCube und KM3NeT überwachen riesige Mengen an Eis oder Meerwasser. Trifft ein Neutrino doch einmal auf etwas, entstehen elektrisch geladene Teilchen, die ein bläuliches Leuchten aussenden, das Tscherenkow-Licht genannt wird. Sensoren zeichnen dieses Leuchten auf, und Physiker nutzen es, um Richtung und Energie des Neutrinos zu bestimmen.