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Neutrino Physik

Neutrinos - Eine Verknüpfung der kleinsten und größten Strukturen

 

Neutrinos sind die häufigsten Elementarteilchen in der Natur, die eine Masse haben. Seitdem Pauli 1931 die Existenz von  Neutrinos vorhersagte ist die Physikwelt von Ihnen fasziniert. Die minimale Wechselwirkung von Neutrinos
mit anderen Teilchen ist mit ein Schlüsselaspekt um die Physik auf sehr kleinen Skalen (Elementarteilchenphysik) bis hin  zu kosmologischen Skalen (unser Universum) zu verstehen.


Das aktuelle Standardmodell der Physik kennt vier fundamentale Kräfte um die 
Wechselwirkung von 12 Fermionen (Spin 1/2 - Teilchen) zu beschreiben.
Drei von diesen 12 Fermionen sind Neutrinos, nämlich das Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Diese Unterteilung nennt man auch Neutrino-Flavour. Neutrinos werden je einem der drei Fermion zugeordnet und bilden zusätzlich mit ihrem Antiteilchen (Anti-Neutrino) jeweils eine der drei Fermion-Generationen.
Drei der Vier Fundamentalkräfte sind die starke, die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung.
Diese beschreiben auf kleinsten Skalen das Verhalten von Elementarteilchen, aus denen jegliche Materie um uns herum aufgebaut ist.


Neutrinos sind die einzigen Elementarteilchen die keine elektrische oder starke Ladung besitzen.
Somit unterliegen sie weder der elektromagnetischen noch der starken Wechselwirkung und liegen in keinen gebundenen Systemen vor.
Im Kontext der Teilchenphysik wechselwirken sie nur über die schwache Wechselwirkung was sie
zu ausgesprochen Interessanten Kandidaten macht um die schwache Wechselwirkung in ihren Grundlagen zu verstehen. Mit Hilfe der Neutrinos wurde das heutige Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschrieben. 
Dieses vereint die drei oben genannten Kräfte bei entsprechenden hohen Energien zu einer einheitlichen Theorie.

Allerdings sind Neutrinos noch nicht vollständig bzw. hinreichend beschrieben.
Dies liegt vor allem daran, dass sie extrem schwach, das heißt selten, mit Ihrer Umgebung wechselwirken und daher
schwer zu detektieren und erforschen sind. Eine der großen Fragen besteht weiterhin:
"Was ist die Masse eines Neutrinos?". Bisher konnten nur experimentelle, obere Schranken an deren Masse gesetzt werden. Die Massenbestimmung der Neutrinos ist eine der Hauptaufgaben der experimentellen Physik und hätte
weitreichende Konsequenzen um bestehende Theorien zu bestätigen oder sie zu entkräftigen und somit ein besseres Verständis dafür zu haben, wie die Natur auf kleinsten Skalen funktioniert.

Zusätzlich zu den drei oben genannten Kräften existiert noch die Gravitation. 
Diese ist auf kleinen Distanzen, welche in der Elementarteilchenphysik relevant sind,
so schwach, dass sie vernachlässigbar klein im Vergleich zu den anderen drei Kräften ist.
Allerdings dominiert die gravitative Anziehung auf sehr großen, kosmologischen Skalen. Sie ist verantwortlich
für die Planetenbewegung in unserem Sonnensystem, die Dynamik zwischen Galaxien und der
"Treibstoff", mit dem ein schwarzes Loch seine gewaltige Anziehungskraft ausüben kann.

Es ist deshalb nicht nur für die Elementarteilchenphysik interessant, wieviel das Neutrino wiegt.
Die große Menge an Neutrinos und deren kollektive Masse spielt eine große Rolle
in der frühen Strukturbildung des Universums - bis heute. 
Mit der Verbesserung von kosmologischen Modellen hätte man eine präzisere Beschreibung der Vergangenheit und somit auch der Gegenwart und unserer Zukunft.