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Sternengeschichten Folge 725: Sterile Neutrinos und dunkle Materie
In dieser Folge der Sternengeschichten wird es wieder einmal spekulativ. Aber das muss manchmal sein, immerhin wollen wir in der Wissenschaft ja Dinge herausfinden, die wir noch nicht wissen, und dazu muss man spekulieren. Es geht wieder einmal um eine der großen offenen Fragen der Astronomie: Woraus besteht die dunkle Materie? Die Antwort darauf könnte gleichzeitig auch eine Antwort auf eine der großen offenen Fragen der Physik geben: Was ist mit den Neutrinos los? Und die Antwort um die es in beiden Fällen geht, lautet: sterile Neutrinos.
Das Thema ist naturgemäß komplex, voll mit verwirrender Quantenmechanik und Begriffen wie Chiralität oder Dirac-Masse, aber keine Sorgen, wie gehen das alles der Reihe nach durch. Fangen wir sicherheitshalber noch einmal kurz mit der Dunklen Materie an. So bezeichnet man das seit den 1930er Jahren beobachtete Phänomen, dass sich Galaxienhaufen, Galaxien und Sterne so bewegen, als wäre da im Universum mehr Masse, als wir sehen können. Dieses Phänomen ist real und eine mögliche Lösung lautet: Da ist tatsächlich mehr Masse, als wir sehen. Und es kann nicht einfach nur Masse sein, die halt – im Gegensatz zu Sternen – nicht leuchtet, also zum Beispiel Planeten oder Wolken aus Gas usw. Die hätten wir erstens auf anderem Weg entdeckt und zweitens muss es viel, viel mehr davon geben, als sich sinnvollerweise erklären lässt. Von der Masse, die wir nicht sehen können, ist circa fünfmal mehr da, als wir Sterne und so weiter im Universum haben. Deswegen lautet die Hypothese: Es gibt eine Art von Materie; ein bislang unentdecktes Teilchen, das sich überall im Universum befindet und zwar Gravitationskraft ausübt, und so die Bewegung der Himmelskörper beeinflusst, aber ansonsten unsichtbar ist. Also kein Licht aussendet, kein Licht absorbiert, und so weiter – diese Art von Materie spürt nur die Gravitationskraft, aber nicht die elektromagnetische Kraft, die für alles zuständig ist, was mit Licht zu tun hat. Das klingt ein wenig seltsam, aber wir kennen Teilchen, die sich genau so verhalten: Nämlich die Neutrinos.
Über diese faszinierenden Elementarteilchen habe ich in Folge 289 der Sternengeschichten schon ausführlich gesprochen. Sie werden überall im Universum bei allen möglichen Arten von nuklearen Reaktionen, zum Beispiel bei der Kernfusion der Sterne erzeugt. Sie sausen in gigantischen Mengen ständig durch die Gegend und dabei unter anderem durch uns durch, um die 100 Milliarden treffen pro Sekunde auf jeden Quadratzentimeter von uns. Wir merken aber nichts davon, weil die Neutrinos nicht mit der elektromagentischen Kraft wechselwirken, sie spüren also die Atome der normalen Materie nicht und die normale Materie spürt nichts von ihnen. Das macht diese Teilchen naturgemäß schwer nachweisbar und wie wir es trotzdem geschafft haben, habe ich unter anderem in Folge 289 besprochen aber auch in Folge 265. Ich komme später noch kurz darauf zurück, aber wichtig ist vorerst: Neutrinos verhalten sich im Prinzip genau so, wie es die dunkle Materie tun sollte. Das Problem: Ihre Masse ist viel zu gering. Da reicht auch die unvorstellbare Menge an Neutrinos nicht, um die dunkle Materie erklären zu können. Außerdem sind Neutrinos zu „heiß“, was natürlich nichts mit der realen Temperatur zu tun hat. Sie bewegen sich extrem schnell, nahe an der Lichtgeschwindigkeit. Das passt nicht zu dem, was wir beobachten. Die dunkle Materie hat mit ihrem Gravitationseinfluss dafür gesorgt, dass sich die normale Materie im frühen Universum zu den großen Strukturen, den Galaxienhaufen und so weiter geformt hat. Das geht aber nur, wenn die Teilchen der dunklen Materie selbst nicht so heiß sind. Wenn sie alle wild und schnell kreuz und quer durch die Gegend sausen, dann können sie nicht die Grundlage für die Strukturbildung im frühen Universum sein. Wir brauchen kalte dunkle Materie, also Teilchen, die ein bisschen langsamer sind.
Neutrinos zeigen uns also, dass es prinzipiell möglich ist, dass Teilchen existieren, die sich wie dunkle Materie verhalten. Sie sind aber nicht die richtige Art von dunkler Materie, also muss es da noch was geben, was wir noch nicht entdeckt haben. Hypothesen gibt es viele; in Folge 514 oder 470 habe ich schon ein paar davon vorgestellt. Heute bleiben wir aber bei den Neutrinos. Denn die sind selbst immer noch höchst mysteriös. Ich habe vorhin gesagt, dass ihre Masse zu gering ist, als das sie ein guter Kandidat für die dunkle Materie wären. Das ist richtig, aber eigentlich dürften Neutrinos gar keine Masse haben. Oder, um etwas genauer zu sein: Das Modell mit dem wir beschreiben, wie die Elementarteilchen sich verhalten, sieht nur linkshändige Neutrinofelder vor, die nicht an das Higgsfeld koppeln können.
Der letzte Satz macht ein paar weitere Erklärungen notwendig und ich werde mich bemühen, so kurz und verständlich wie möglich zu bleiben. In der modernen Quantenphysik werden Teilchen durch Quantenfelder erklärt. Vereinfacht gesagt: Ein solches Feld ist ein „etwas“ (und anschaulicher kann man es abseits der Mathematik kaum erklären), und wenn man dieses Feld ausreichend stark anregt, nehmen wir die Anregung des Feldes als Teilchen war, also zum Beispiel als Elektron oder eben als Neutrino. Diese Quantenfelder können miteinander wechselwirken und damit erklärt man – wieder sehr vereinfacht gesagt – die Kräfte, die zwischen den Teilchen wirken. Ein ganz besonderes Feld ist das Higgsfeld: Wenn zum Beispiel das Elektronenfeld mit dem Higgsfeld wechselwirkt, oder „koppelt“, wie man sagt, dann sieht das Resultat für uns so aus, als hätte das Elektron eine Masse. Oder anders gesagt: Die Stärke der Kopplung mit dem Higgsfeld bestimmt, wie groß die Masse des Teilchens ist, die wir beobachten. Und jetzt müssen wir noch kurz über die Chiralität oder „Händigkeit“ sprechen. Wir haben – normalerweise – eine rechte Hand und eine linke Hand. Die eine ist die Spiegelung der anderen und sie lassen sich nicht perfekt zur Deckung bringen. Das kann man noch gut verstehen, aber wenn man in der Teilchenphysik die Begriffe „linkshändig“ oder „rechtshändig“ verwendet, dann hat das absolut nichts mit irgendwelchen anschaulichen Eigenschaften zu tun, weswegen ich auch gar nicht versuche, irgendwelche anschaulichen Vergleiche zu verwenden. Belassen wir es bei: Die Händigkeit ist eine Eigenschaft von Quantenfeldern, die bestimmt, wie sie mit anderen Quantenfeldern wechselwirken und sie kann zwei Zustände haben, die wir als „linkshändig“ und „rechtshändig“ bezeichnen. Das ist zwar nicht wirklich korrekt, aber gerade noch so wenig falsch, das man damit arbeiten kann.
Das Elektronenfeld hat zum Beispiel eine links- und eine rechtshändige Komponente und das macht es möglich, dass es an das Higgsfeld koppelt. Neutrinos beschreiben wir aber nur mit einem linkshändigen Feld und das kann nicht an das Higgsfeld koppeln. Neutrinos sollten also masselos sein, wir wissen aus Experimenten aber, dass sie eine, wenn auch kleine, Masse haben. „Wo ist das Problem?“ könnte man sich da jetzt denken. Dann geben wir in die Mathematik der Quantenfelder halt auch ein rechtshändiges Neutrinofeld dazu – dann koppelt das Neutrino an das Higgsfeld und seine Masse lässt sich erklären. Das kann man machen, aber so einfach ist es nicht. Denn die Masse des Neutrinos ist wirklich, wirklich klein. So klein, dass sie sich quasi nicht messen lässt; wir wissen nur, dass sie nicht gleich Null sein kann. Das bedeutet, dass das Neutrinofeld, auch wenn wir es um einen rechtshändigen Teil ergänzen, nur extrem schwach an das Higgsfeld koppeln kann. Und dann müsste man erklären, warum das so ist und das können wir derzeit nicht.
Womit wir jetzt endlich bei den Teilchen aus dem Titel sind: Den sterilen Neutrinos. Wir kennen derzeit drei unterschiedliche Neutrinos, nämlich Elektron-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tauon-Neutrinos. Und wir wissen, dass sie sich ineinander umwandeln können. Alle drei sind linkshändige Neutrinos – es könnte aber auch sein, dass es eine vierte Neutrinoart gibt, die rechtshändig ist. Dieses hypothetische Teilchen hat man „steriles Neutrino“ genannt und das „steril“ bezieht sich darauf, dass so ein rechtshändiges Neutrino dann nicht mehr in der Lage wäre, über die „schwache Wechselwirkung“ zu interagieren. Über diese Fundamentalkraft im Universum habe ich schon in Folge 408 ausführlich gesprochen; sie ist enorm wichtig, unter anderem dafür, wie Neutrinos ab und zu doch noch mit normaler Materie in Wechselwirkung treten und damit nachgewiesen werden können. Teilchen, die die schwache Wechselwirkung nicht spüren, nennt man aber „steril“ und das sterile Neutrino wäre damit noch viel schwerer nachweisbar als die eh schon kaum nachweisbaren normalen Neutrinos. Dafür kann ein steriles Neutrino aber an das Higgsfeld koppeln und eine Masse haben. Und, über einen Mechanismus der sich „Seesaw“, also „Wippe“ nennt und den ich jetzt definitiv nicht im Detail erklären will, weil das alles noch verwirrender machen würde, könnte das sterile Neutrino quasi mit den anderen Neutrinos zusammenhängen und so vereinfacht gesagt ein bisschen seiner Masse auf sie übertragen. Wenn es sterile Neutrinos gibt, hätten wir also einerseits vielleicht eine Erklärung, wie anderen Neutrinos ihre Masse kriegen. Und andererseits hätten wir ein Teilchen mit einer vergleichsweise großen Masse, das weder elektromagnetisch noch mit der schwachen Wechselwirkung interagiert und damit ein idealer Kandidat wäre, um die dunkle Materie zu erklären.
Aber mit „hätte“ kommen wir nicht weiter, die Frage lautet: Gibt es die sterilen Neutrinos oder nicht? Und die Antwort darauf ist ein klares: Möglicherweise! Seit den 1990er Jahren hat man bei mehreren Experimenten versucht, sie nachzuweisen. Das ist natürlich nicht so einfach, direkt lassen sich sterile Neutrinos – wie vorhin erklärt – nicht nachweisen. Man muss – vereinfacht gesagt – Neutrinos beobachten, die bei verschiedenen Kernreaktionen entstehen. Die normalen Neutrinos können sich – wie ich auch vorhin schon gesagt habe – ineinander umwandeln. Das heißt: Wenn bei einem radioaktiven Zerfall oder einer Fusionsreaktion zum Beispiel ein Elektron-Neutrino entsteht, dann kann und wird es sich nach kurzer Zeit in ein Myon-Neutrino umwandeln. Und dass kann sich ebenfalls umwandeln, und so weiter. Die Neutrinos wechseln zwischen den verschiedenen Arten hin und her und diese Neutrino-Oszillationen folgen konkreten Regeln, die allerdings leicht unterschiedlich sind, je nachdem ob es sterile Neutrinos gibt oder nicht. In den Experimenten versucht man also möglichst genau zu messen, ob es von bestimmten Neutrinoarten mehr oder weniger gibt, als man erwarten würde. Und wenn die Messungen von den Erwartungen abweichen, könnte das ein Hinweis auf die Existenz eines sterilen Neutrinos sein. Dazu muss man natürlich sehr viele Messungen anstellen, um sich sicher sein zu können, dass man nicht einfach durch Zufall mehr oder weniger Neutrinos gemessen hat, sondern dass ein echter, systematischer Effekt ist. Und tatsächlich hat man immer wieder Mal Hinweise auf solche systematischen Abweichungen gesehen – zum Beispiel 2018 beim MiniBOONE-Experiment am Teilchenbeschleuniger des Fermilab. Die haben sich, dann aber bei weiteren Messungen nicht bestätigt. Die Daten schließen sterile Neutrinos nicht aus. Aber sie schließen sterile Neutrinos aus, die die Eigenschaften haben, von denen wir gedacht hätten, dass sie sie höchstwahrscheinlich haben. Wenn es sie gibt, dann müssen sie zum Beispiel deutlich mehr Masse haben, als gedacht. Und wenn das so ist, dann können sie immer noch gute Kandidaten für die dunkle Materie sein und immer noch erklären, wie die anderen Neutrinos an ihre Masse kommen. Aber sie sind halt dann noch schwerere nachweisbar.
Neutrinos sind höchst faszinierende Teilchen. Es ist schon beeindruckend genug, dass wir sie überhaupt entdeckt haben, so wenig wie sie mit dem Rest des Universums wechselwirken. Aber es gibt sie und es gibt keinen Grund, warum es nicht auch Teilchen geben sollte, die noch weniger Kontakt zu unserer normalen Welt haben. Irgendeine Erklärung muss es für die Masse der Neutrinos geben und ebenso für die dunkle Materie. Wenn sterile Neutrinos die Antwort auf diese Frage sind, dann werden sie uns auch irgendwann ins Netz gehen – denn was das angeht ist die Teilchenphysik ebenso hartnäckig wie die Astronomie. Wenn es etwas zu finden gibt, dann schauen wir so lange, bis wir es auch gefunden haben.