Wurden die verschwundenen Sonnenneutrinos gefunden?
Das Energieproblem der Sonne hat Physiker und Astronomen lange Zeit beschäftigt, bis Wissenschaftler in den 1930er Jahren erkannten, dass die Energie der Sonne aus Kernfusion in ihrem Kern stammt. Die Theorie der Kernfusion erklärte die Beobachtungen der Sonne sehr gut, aber es gab ein Phänomen, das nicht mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmte und die Astronomen viele Jahre lang verwirrte.
Nach den Gesetzen der Kernfusion sollten, wenn im Kern der Sonne tatsächlich groß angelegte thermonukleare Reaktionen stattfinden, eine große Anzahl von Neutrinos erzeugt werden. Neutrinos sind sehr seltsame Teilchen, die keine elektrische Ladung haben und nach dem Standardmodell, das die Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen beschreibt, eine Ruhemasse von null haben. Außerdem nehmen Neutrinos nicht an elektromagnetischen Wechselwirkungen und starken Wechselwirkungen im Kern von Atomen teil, so dass sie sehr durchdringend sind und es sehr schwierig ist, sie „zu fangen“.
Um die Theorie der Kernfusion im Sonnenkern zu überprüfen, mussten Wissenschaftler spezielle Methoden entwickeln, um die tatsächliche Anzahl der Sonnenneutrinos zu messen. Zu diesem Zweck richteten Wissenschaftler eine „Falle“ ein, und der amerikanische Physiker Davis leitete das erste wichtige Experiment zur Messung von Sonnenneutrinos in einer 1,5 Kilometer tiefen Goldmine in South Dakota, USA. Aber die Ergebnisse von 1968 zeigten, dass die tatsächliche Anzahl der Sonnenneutrinos nur ein Drittel der theoretischen Vorhersage betrug. Eine große Anzahl von Sonnenneutrinos war verschwunden!
Später verbesserten Physiker ihre Messmethoden, und das Kamioka-Neutrino-Detektor-Experiment unter der Leitung des japanischen Wissenschaftlers Masatoshi Koshiba bestätigte ähnliche Phänomene. Für eine Weile war das Rätsel der verschwundenen Sonnenneutrinos ein heißes Thema unter Wissenschaftlern. Wo lag der Fehler? Haben die Astronomen sich geirrt? Kommt die Sonnenenergie nicht aus der Kernfusion? Oder lag die Physik der Neutrinos falsch?
Zuerst dachte man daran, das Standard-Sonnmodell zu modifizieren. Allerdings zeigten die Ergebnisse der Helioseismologie, dass das Sonnenmodell in Ordnung war, und unabhängig davon, wie das Sonnenmodell angepasst wurde, konnte es nicht mit den tatsächlichen Messergebnissen der Neutrinos übereinstimmen, und jede Anpassung des Modells würde nur zu noch mehr Widersprüchen in anderen Bereichen führen.
Die Wissenschaftler waren gezwungen, die Theorie der Neutrinos zu überarbeiten und führten das Konzept der „Neutrino-Oszillation“ ein. Derzeit sind drei Arten von Neutrinos bekannt: Elektron-Neutrinos, μ-Neutrinos und τ-Neutrinos. Die Theorie der Neutrino-Oszillation besagt, dass verschiedene Arten von Neutrinos ineinander umgewandelt werden können. Daher könnten einige der von der Sonne emittierten Elektron-Neutrinos auf ihrem Weg in andere Arten von Neutrinos umgewandelt worden sein. Da die aktuellen Messmethoden nur Elektron-Neutrinos erkennen können, führte dies zum Anschein eines Mangels an Sonnenneutrinos. Allerdings bedeutet diese Theorie auch, dass die Ruhemasse der Neutrinos nicht Null ist, was viele grundlegende Konzepte der Teilchenphysik in Frage stellt und strenge wissenschaftliche Experimente erfordert, um dies zu überprüfen.
1998 fand der japanische Super-Kamioka-Detektor den ersten eindeutigen Beweis für die Existenz von Neutrino-Oszillationen, bei dem μ-Neutrinos tatsächlich in τ-Neutrinos umgewandelt wurden. Im Jahr 2001 veröffentlichte das SNO-Neutrino-Observatorium in Sudbury, Kanada, neue Messergebnisse und entdeckte alle drei vom Sonne emittierten Neutrinoarten, von denen jedoch nur 35 % Elektron-Neutrinos waren. Die Gesamtflussrate der drei Neutrinoarten stimmte gut mit den Vorhersagen des Standard-Sonnmodells überein und löste damit das vorherige Problem des vermissten Sonnenneutrinos vollständig auf.
2002 erhielten Davis, der das erste Neutrino-Mess-Experiment leitete, und Koshiba, der Leiter des Kamioka-Detektors, den Nobelpreis für Physik für ihre Beiträge zur Elementarteilchenphysik, die für immer mit dem mysteriösen Rätsel der Neutrinos verbunden sein werden.