Kapitel 3
Neutrino
„Mehr als 65 Milliarden Neutrinos rasen jeden Quadratzentimeter der Erdfläche pro Sekunde durch diese hindurch. Sie fliegen (einfach) durch alles hindurch. Obwohl die Theoretiker schon seit 1930 wussten, dass es Neutrinos geben muss, konnten die Geister-Teilchen erst 1956 nachgewiesen werden. Immer noch gehören Neutrino Experimente zum Kompliziertesten, womit sich Physiker befassen“.
Neutrinos sind ein Produkt, die durch Kernfusion in den Sternen entstehen (Abb. 22).
Der Hauptteil des Neutrinos entsteht durch die Verbrennung von Wasserstoff, was zu Helium führt (Abbildung 27).
Zur Erinerung:
Bei der Proton-Proton-Reaktion, die infolge der enormen Kompression entsteht, prallen zwei un- gleich polarisierte Protonen mit hoher Energie aufeinander. Dabei werden zwei Up-Quarks (oder Down-Quarks) mit gewaltigem Druck und hoher Geschwindigkeit zueinander angezogen. Aufgrund der Abstoßung der in einer Richtung drehenden Teilchen, wird einer der beiden Quarks ausgetrieben. So entsteht ein Neutrino, das durch das Universum fliegen wird.
Die Reaktion ist:
𝒑 + 𝒑 → ^𝟐 𝐇 + 𝒏 + 𝒚 oder 𝒑 + 𝒑 →𝑫 + 𝒏 + 𝒚
Und in Worten: 2 Protonen werden zu Deuterium + Neutrino + Y(Gammastrahlung).
Ein Neutrino ist also dasselbe Teilchen wie ein Quark, der nur mit geradliniger Translationsbewegung und hoher kinetischer Energie durch das Universum fliegt.
Jeder Stern im Universum schießt unzählige Trillionen von Neutrinos in alle Richtungen mit eigener Kraft und Energie, die von der Art und Größe des Sterns abhängig ist.
Zum Vergleich: Der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, der Large Hadron Collider (LHC) in Genf, erzeugt Teilchen mit einer Energie von 7 TeV pro Nukleon.
Die Neutrinos aus dem Inneren der Sonne erreichen maximal 14 MeV.
Die zwei Neutrinos, die die Forscher im Ice-Cube-Detektor registriert haben, besaßen unvorstellbare 1,1 PeV.
„Das ist die höchste Energie, die wir jemals bei Neutrinos gefunden haben“, sagt Thomas Gaisser von der amerikanischen University of Delaware.
http://icecube.wisc.edu/news/view/121
Da das Neutrino eine Masse von 𝟒, 𝟏𝟗 ⋅ 𝟏𝟎−𝟑𝟏 𝒌𝒈, eine Dichte von 𝝆 = 𝟖 ⋅ 𝟏𝟎^𝟏𝟕 𝒌𝒈/𝒎^𝟑 und eine Geschwindigkeit von 𝞾 = 𝟐, 𝟗𝟗𝟕𝟗𝟐𝟒𝟓𝟖 · 𝟏𝟎^𝟖 𝒎/𝒔 , (wie „Opera“-Team am Cern verkündete) hat, besitzt dieses Teilchen eine kinetische Energie (Bewegungsenergie), die wir berechnen können:
𝑬_𝒌𝒊𝒏 = 𝟏/𝟐 ⋅ 𝒎𝞄^𝟐 oder bei 𝞄 = 𝐜 𝐄_𝐤𝐢𝐧 = 𝟏/𝟐 ⋅ 𝐦𝐜^𝟐
𝟏 −𝟑𝟏 𝟖 𝒎 𝟐 −𝟏𝟒 𝒌𝒈𝒎𝟐 𝑬𝒌𝒊𝒏 =𝟐⋅𝟒,𝟏𝟗⋅𝟏𝟎 𝐤𝐠⋅(𝟐,𝟗𝟗𝟕𝟗𝟐𝟒𝟓𝟖 · 𝟏𝟎 𝒔) =𝟏,𝟖𝟖𝟑⋅𝟏𝟎 𝒔𝟐
𝐄_𝐤𝐢𝐧 = 𝟏, 𝟖𝟖𝟑 ⋅ 𝟏𝟎^−𝟏𝟒 kgm^2/s^2 = 𝟏, 𝟖𝟖𝟑 ⋅ 𝟏𝟎^−𝟏𝟒 𝐉
Das Elektronenvolt ist eine Einheit der Energie, die in der Atom-, Kern- und Teilchenphysik häufig benutzt wird. Ein Elektronenvolt ist die Energiemenge, um welche die kinetische Energie eines Elektrons zunimmt, wenn es eine Beschleunigungsspannung von 1 Volt durchläuft. Sein Wert gemäß der CODATA-Empfehlung ist:
1eV = 1,602176565 ⋅ 𝟏𝟎^−𝟏𝟗J 1J = 6,2414 ⋅ 𝟏𝟎^𝟏𝟖 eV
Die kinetische Energie des Neutrinos:
𝑬_𝒌𝒊𝒏 = 6,2414 ⋅ 𝟏𝟎^𝟏𝟖 eV ⋅ 1,883 ⋅ 𝟏𝟎^−𝟏𝟒= 1,1752 ⋅ 𝟏𝟎^𝟓 eV = 0,11752 MeV
Also, das Neutrino, das mit der Lichtgeschwindigkeit durch das Universum reist, hat eine
kinetische Energie:
𝑬_𝒌𝒊𝒏 = 𝟎, 𝟏𝟏𝟕𝟓𝟐 𝐌𝐞𝐕
Und jetzt stellen wir uns vor, dass dieses Neutrino, das ein bestimmtes Volumen und kinetische Energie besitzt, ein Atom trifft, welches auch ein bestimmtes Volumen und bestimmte Dichte hat.
Als ein Neutrino durch ein Vakuum flog, waren die Drücke und Dichten der Gluonen vor und hinter dem Teilchen (Abb. 8) gleich und das Teilchen flog durch Trägheit.
Wenn ein Neutrino auf seinem Weg auf ein Atom trifft, das zu 99 % aus einer verdichteten, rotierenden Vakuumhülle besteht, nimmt die Dichte der Gluonen vor den Netrinos stark zu und hinter dem Neutrino bildet sich ein Hohlraum (niedriger Druck). Infolgedessen stürzt der Gluonenfluss aus einem freien Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit in das Atom herein.
Selbstverständlich wird es zwischen beiden Teilchen zu einer Wechselwirkung führen. Dabei entsteht eine Zugkraft, die vom fliegenden Neutrino auf das Atom ausgeübt wird.
Dieser winzige Teil der kinetischen Energie, die das Neutrino verliert, um das Atom zu zwingen, sich in dieselbe Richtung zu bewegen, wird als Wechselwirkungsenergie und ihre Stärke als Wirkungskraft F bezeichnet (Abb. 31).
Die Größe dieser Kraft hängt von der Dichte des Atoms und seiner Größe ab.
Abbildung 31: Die Kraft 𝐹 ist auf den Neutrino-Flug gerichtet
Die Wirkungskraft ist eine vektorielle Kraft 𝑭, die das Neutrino auf das Atom beim Hindurchfliegen ausübt.
Im Umkreis der Erde befinden sich Milliarden von Sternen und jeder Stern strahlt unzählige Menge von Neutrinos ab, die unser Planet, uns allen und jedes einzelnes Atom von allen Seiten durchquert.
Es ist zu beachten, dass jede Seite des Körpers ungleiche Menge von Neutrinos, die auch verschiedene Kräfte und Energien besitzen, getroffen wird. Deswegen bei jedem Atom ergibt sich eine resultierende vektorielle Kraft, die in eine bestimmte Richtung ausgeübt wird.
Diese resultierende vektorielle Kraft gibt dem Atom sein Gewicht!
Da der Radius der Atomhülle ungefähr 100.000-mal größer ist als der Radius der Atomkerne (Quarks), ist die Wahrscheinlichkeit, dass Neutrinos beim Durchgang durch das Atom in den Atomkern fallen, sehr gering. Die Zahl der Atome, durch die dieses Neutrino auf seinem Weg durch die gesamte Erddicke fliegen muss, ist jedoch unvorstellbar größer.
Daher könnte die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutrino mit einem Quark kollidiert, als 100 % angesehen werden. Solche Zusammenstöße würden zu unvorstellbaren Konsequenzen führen.
Es gibt jedoch einen Grund, der verhindert, dass Partikel miteinander kollidieren.
In dem Kapitel-5 „Wieso ist es so schwer Neutrinos aufzuspüren?“ werde ich dieses Phänomen ausführlich erläutern.
Wie schon erwähnt, schießt jeder Stern im Universum unzählige Trillionen von Neutrinos in alle Richtungen. Im Weltall gibt es mehr Sterne als Sandkörner an den Stränden und in den Wüsten der Erde. Unsere Milchstraße hat mehr als 200 Milliarden Sterne.
Allein die erfassbare Sternen-zahl beträgt 70 Trilliarden, berichtete der australische Astronom Simon Driver auf der Konferenz der Int. Astronomischer Union in Sydney.
Das bedeutet, dass unser Universum voll mit Neutrinos ist, die in alle Richtungen mit eigener Geschwindigkeit und als Folge mit eigener Energie geradlinig sich fortbewegen.
Jetzt möchte ich den Begriff Teilchenzahldichte oder Teilchenkonzentration erklären.
Als Teilchenzahldichte n (Teilchenkonzentration) bezeichnet man die Anzahl der Teilchen (Neutrinos, Sterne usw.) pro Volumen.
Wenn man verschiedene Orte (Volumen) des Universums in Betracht zieht, stellt es sich heraus, dass sich bei Annäherung an das Zentrum des Alls die Sternzahldichte ansteigt und umgekehrt, je weiter man sich der Peripherie des Universums nähert, diese abnimmt.
Dies betrifft direkt auch die Neutrinos-Anzahl (𝑵), die in diesen Gebieten entstehen und direktproportional zur Zahldichte der Sterne sind.
Das bedeutet, dass jede Seite des Himmelskörpers im Universum durch eine andere Anzahl von Neutrinos durchdrungen wird, die auch unterschiedlichen Energiekräfte haben (Abb. 32).
Diese Neutrinos-Richtungsdichte hängt von der Art und Größe der Galaxien und der Menge der Sterne, von denen sie abgestrahlt wurden, ab.
Abbildung 32: Jedes Atom wird jede Sekunde von allen Seiten von unzähligen Neutrinos durchdrungen
Das heißt, dass jedes Atom, jedes Molekül, jeder Stoff oder jeder Himmelskörper von allen Seiten ununterbrochen von Neutrinos durchdrungen wird.
Da alle diese Neutrinos vektoriell unterschiedliche Teilchendichte (Konzentrati) und die Kräfte haben, ergibt sich eine resultierende vektorielle Kraft (𝑭𝑹𝒆𝒔), die auf den Körper dauerhaft wirkt (Abb.33).
Abbildung 33: Die resultierende Vektorkraft 𝑭𝑹𝒆𝒔 ist in die Richtung der niedrigsten Dichte der Neutrinos gerichtet
Wenn auf einen Himmelskörper dauerhaft eine bestimmte Kraft in gleiche Richtung einwirkt, fliegt dieser Körper mit der Beschleunigung davon. Da die resultierende vektorielle Kraft 𝑭𝑹𝒆𝒔 auf jedes Atom des Körpers wirkt, bewegt sich der ganze Körper und alle andere nah liegenden Himmelskörper mit gleicher Beschleunigung und in die gleiche Richtung.
⃗Die resultierende vektorielle Kraft 𝑭𝑹𝒆𝒔 hängt direkt proportional von der Masse des Atoms ab. Es bedeutet, dass auf den identischen Massen der verschiedenen Stoffe die gleiche vektorielle Kräfte (𝑭𝑹𝒆𝒔) wirken.
Wie bei einem Scherz gefragt wird: „was wiegt mehr: 1 kg Eisen oder 1 kg Federn?"
Wie erklärt man das auf atomarer Ebene?
Es ist wichtig zu verstehen, dass relativ entfernte Regionen des Universums unterschiedliche Neutrinodichten haben. Jeder Punkt in einem so relativ kleinen Bereich des Universums, wie unser Sonnensystem, hat jedoch praktisch die gleiche Neutrinodichte. Es bedeutet, dass durch jede Fläche von einem Quadratmillimeter jeglicher Substanz eine gleiche Anzahl an Neutrinos aus einer bestimmten Richtung und für eine bestimmte Zeit fliegt.
Wenn eine Substanz eine höhere atomare Dichte, als eine andere Substanz, hat, dann, um dieselbe Masse zu haben (𝒎 = 𝝆𝐕), wie das andere Element, sollte das Volumen seiner Atome geringer sein.
Wenn sich das Volumen des Atoms verkleinert, wird auch die Anzahl der Neutrinos, die durch das Atom fliegen, kleiner sein. Aber, dank der größeren Dichte, wird die Wirkungskraft einzelner Neutrinos größer. Deswegen werden die resultierenden Kräfte, die auf jedes Atom der beiden Stoffe wirken, gleich sein.
Dies kann man aus der folgenden Formel nachvollziehen:
𝑭𝑹𝒆𝒔 = 𝒎𝒂⃗ = 𝝆𝑽 𝒂⃗
Hier sind:
𝒂⃗: Die Beschleunigung des Himmelskörpers [ms^−2].
𝑭𝑹𝒆𝒔.: Die resultierende vektorielle Kraft der Neutrinos [kgm/s^2].
𝝆: Die Dichte des Himmelskörpers [kg/m^3].
V: Das Volumen des Himmelskörpers [m^3].
𝒎: Die Masse des Himmelskörpers [kg].
Dies bedeutet, dass auf jedes Atom im Universum kontinuierlich die resultierende Vektorkraft 𝑭𝑹𝒆𝒔, die für diese Region des Kosmos definiert ist, einwirkt, wodurch sich alle Himmelskörper mit der Beschleunigung (𝒂⃗) in Richtung dieser ausgeübten Kraft bewegen.
Die Sternzahldichte nimmt mit der Entfernung vom Zentrum des Weltalls ab. Infolgedessen die Zahl der Neutrinos (Neutrinos-Dichte), die von der Peripherieseite in Richtung des Zentrums fliegen, wird immer weniger. Als Ergebnis treibt die vektorielle resultierende Kraft 𝑭𝑹𝒆𝒔 den gesamten Körper in die Richtung des Randes des Universums. Dies ist bei jedem Himmelskörper der Fall.
Alle nah beieinander liegende Körper (z. B. die Planeten in unserem Sonnensystem) haben die gleichen Neutrinos-Konzentrationen, eine ähnliche resultierende Triebkraft und die Richtung. Deswegen bewegen sich nah beieinander liegende Himmelskörper mit den gleichen Geschwindigkeiten und in die gleichen Richtungen, die wir nicht wahrnehmen können.
Also: Das Universum dehnt sich aus, und zwar mit der Beschleunigung!
Jetzt wissen wir, was sich unter dem Begriff „Dunkle Energie“ verbirgt, die für die kosmische Expansion verantwortlich sein soll!
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