How big is Neutrino?

Ein Neutrino ist ein Elementarteilchen, eines, das nach allem, was Experimente zeigen, aus nichts Kleinerem besteht. Es hat keine elektrische Ladung und eine so geringe Masse, dass Experimente dafür bislang nur eine Obergrenze festlegen konnten. Auch eine Größe hat kein Experiment für das Neutrino gemessen, weshalb das oben gezeigte 1 Yoktometer keine Messung ist. Ein Yoktometer ist 10⁻²⁴ Meter, ein Billionstel eines Billionstels eines Meters.

Größe

Ein Neutrino hat keine Oberfläche, die man messen könnte. Stattdessen beobachten Physiker, wie Neutrinos an Elektronen streuen. Ein Neutrino mit einer gewissen Größe, beschrieben durch eine Kenngröße namens Ladungsradius, würde etwas anders streuen als ein punktförmiges Teilchen.

Das TEXONO-Experiment in Taiwan fing Antineutrinos ein, die Antimaterie-Partner der Neutrinos, die von einem 28 Meter entfernten Kernreaktor ausströmten. Sie streuten innerhalb der Messgenauigkeit des Experiments an Elektronen so, wie es das Standardmodell der Teilchenphysik vorhersagt. Die Particle Data Group, die Teilchenmessungen aus aller Welt zusammenträgt, verwendet dieses Ergebnis von 2010 als ihre Grenze. Es entspricht einem Ladungsradius von weniger als etwa 1,8 × 10⁻¹⁸ Metern beziehungsweise einer Breite von weniger als etwa 3,6 × 10⁻¹⁸ Metern.

Physiker sind sich uneinig, ob der Ladungsradius eines Neutrinos wirklich eine Größe darstellt. Der Wert lässt sich daher am besten als Grenze für das Streuverhalten von Neutrinos verstehen. Das im Explorer gezeigte 1 Yoktometer liegt weit darunter, sodass kein Experiment es bestätigen oder ausschließen könnte.

Größenvergleiche

Ein Proton, etwa 1,7 Femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ Meter) groß, ist etwa 460-mal so breit wie die Obergrenze für ein Neutrino.
Ein Wasserstoffatom, etwa 0,1 Nanometer groß, ist fast 30 Millionen Mal so breit wie die Obergrenze. Ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters.
Wäre die Obergrenze auf die Breite eines menschlichen Haars vergrößert, etwa 0,1 Millimeter, hätte ein Proton einen Durchmesser von etwa 4,6 Zentimetern. Ein menschliches Haar, im selben Maß vergrößert, wäre etwa 2,8 Millionen Kilometer breit, etwa das Siebenfache der Entfernung Erde – Mond.
Die Obergrenze ist etwa 200 Billiarden (2 × 10¹⁷) Mal so breit wie die Planck-Länge, das nächstkleinere Objekt im Explorer.

Das Geisterteilchen

Wolfgang Pauli schlug das Neutrino 1930 vor, um den Betazerfall zu erklären, eine Form der Radioaktivität, bei der ein Atomkern ein Elektron abgibt. Dabei schien Energie zu fehlen, und Pauli vermutete, dass ein unsichtbares, ungeladenes Teilchen sie forttrug. Enrico Fermi nannte es Neutrino, italienisch für „kleines neutrales Teilchen“.

Neutrinos reagieren so selten mit Materie, dass man ihren Nachweis für nahezu unmöglich hielt. Frederick Reines und Clyde Cowan aus Los Alamos gelang schließlich ihr Nachweis am Savannah River Plant in South Carolina, mithilfe der Flut von Antineutrinos aus dessen Kernreaktor. Sie veröffentlichten die Entdeckung im Juli 1956, und Reines erhielt dafür 1995 einen Anteil am Nobelpreis für Physik.

Überall, und sehr leicht

Nach den Photonen, den Teilchen des Lichts, sind Neutrinos die häufigsten Teilchen im Universum. Viele entstehen durch Kernfusion in der Sonne. Jede Sekunde treffen etwa 66 Milliarden Neutrinos von der Sonne auf jeden Quadratzentimeter der Erde, und kaum etwas hält sie auf.

Neutrinos gibt es in drei Typen: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Takaaki Kajita und Arthur McDonald erhielten 2015 den Nobelpreis für Physik dafür, dass sie zeigten, dass Neutrinos während ihrer Reise zwischen den Typen wechseln, was bedeutet, dass sie eine Masse haben müssen. 2025 berichtete das KATRIN-Experiment davon, dass die Masse des Neutrinos unter 0,45 Elektronenvolt liegt, einer Energieeinheit, die Physiker auch für Masse verwenden. Ein Elektron hat mehr als das Millionenfache dieser Masse.