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Leptonen im Standard-Modell - Die Suche nach Neutrino-Oszillationen  

Der sogenannte Super-Kamiokande ist ein Neutrino-Detektor, der atmosphärische Neutrinos zählt. 


Atmosphärische Neutrinos werden bei Zerfallsreaktionen von Hadronen (z.B. p + ) erzeugt, die bei Stößen von Höhenstrahlung mit Atomkernen der oberen Erdatmosphäre entstehen. Elektron- und Myon-Neutrinos werden dabei vor allem durch die Reaktion    
p + à n m + m +               
und die Folgereaktion  
                m + à e + + n m + n e     
erzeugt.
Es entstehen also
n m , n m und n e. Ihr Zahlenverhältnis ( n m + n m )/ n e sollte erwartungsgemäß 2 betragen. 
 

Super-Kamiokande ist ein Cerenkov-Detektor zu Erklärungen über den Cerenkov-Detektor (Videoanimation) mit 50000 Tonnen (!) Wasser, die von 11146 Photomultipliern zu Erklärungen über Photomultiplier "überwacht" werden. Er befindet sich in 1000 m Tiefe in einem Blei- und Zinkbergwerk in Japan. Mit ihm lassen sich Elektron- und Myon-Neutrinos zählen, die sich durch - für ihren Flavour charakteristische - Reaktionen in dem großen Wassertank verraten. Es wird dabei nicht nur unterschieden, welchen Flavour ein registriertes Neutrino hatte, sondern auch aus welcher Richtung es kam und welche Super-Kamiokande von innen (teilweise mit Wasser gefüllt)
Energie es hatte.
Die Abbildung rechts zeigt den Detektor mit einer Vielzahl von Fenstern vor den einzelnen Photomultipliern. Drei Physiker kontrollieren gerade - in einem Schlauchboot sitzend - die Wand. Das Foto wurde freundlicherweise vom ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo zur Verfügung gestellt.
 

Die Grundidee der Messung in Japan ist, festzustellen, ob atmosphärische Neutrinos auf ihrem Flug durch die Erde (ca. 13000 km) ihren Flavour ändern.   
Man zählt dazu Neutrinos ( m - Typ und e-Typ), die über dem Detektor (in ca.
15 km Höhe) entstehen und daher "von oben" kommen und Neutrinos, die auf der gegenüberliegenden Seite der Erde (ca. 13000 km Entfernung) entstehen und "von unten" kommen (siehe rechte Abbildung). 
 
atmosphärische Neutrinos von unten und von oben

Teilchenphysiker haben während 535 Tagen 4353 Ereignisse in ihrem Wassertank gezählt und ausgewertet. Das Ergebnis ist beeindruckend. Zum ersten Mal scheint es einen Beweis dafür zu geben, dass Myon-Neutrinos ihren Flavour ändern. Einen Teil der graphischen Auswertung zeigt die Abbildung rechts. Über dem Zenitwinkel ( d.h. seinem Kosinuswert: cos q ; -1 bedeutet "von unten", +1 "von oben") ist die Anzahl der registrierten m -Neutrinos mit einem Impuls größer als 0,4 GeV/c aufgetragen (schwarze Punkte). Die schraffierten Balken entsprechen der "Monte-Carlo"-Simulation unter der Annahme, dass es keine Neutrino-Oszillationen gibt (man erkennt, dass es hier keinen Unterschied zwischen "von oben " und "von unten" gibt). Der deutliche Unterschied zwischen Simulation und Experiment, bei cos q = -1 erwartet die Simulation immerhin fast doppelt so viele es werden zu wenige 'von unten kommende' mü-Neutrinos gezählt
Neutrinos (siehe roter Pfeil in Abb.) wie das Experiment liefert, zeigt, dass Myon -Neutrinos auf dem Weg durch die Erde "verlorengehen".   
Für Neutrinos, die "von oben" kommen (+0,2 < cos q < +1), also nur ca. 15 km seit ihrer Erzeugung zurückgelegt haben, stimmen Simulation und Experiment hingegen gut überein, d.h. auf dieser kurzen Strecke ändern sie offensichtlich ihren Flavour nicht. 

Erstaunlicherweise wurde bei den Elektron -Neutrinos kein signifikanter Unterschied zwischen "von oben" und "von unten" kommend festgestellt. Die Myon-Neutrinos können sich also nicht in Elektron-Neutrinos verwandelt haben. Als naheliegende Erklärung bleibt, dass sich die Myon-Neutrinos in Tauon -Neutrinos umgewandelt haben.   
Das Ergebnis ist das bisher überzeugendste Anzeichen für eine Neutrinomasse. Aufgrund der Länge der Messstrecke könnten die Neutrinos eine Masse in der Größenordnung von ca.
30 meV = 30 . 10
-3 eV haben. 

Man beachte allerdings, dass es sich hierbei um Messergebnisse handelt, die noch nicht durch eine Vergleichsmessung bestätigt wurden (was ja auch nicht gerade einfach ist).   
Außerdem ist die Erklärung, dass sich die  
Myon-Neutrinos in Tauon-Neutrinos verwandelt haben, eine Vermutung. Dies wäre durch eine Suche nach Tauon-Neutrinos zu bestätigen.  
(siehe auch  zum Literaturverzeichnis; [FUK 1998] )

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