Warum wissen wir nicht, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind oder nicht?

Wir wissen, dass es Neutrinos und Antineutrinos gibt, und es ist möglich, sie voneinander zu unterscheiden. Zum Beispiel erzeugen Elektron-Neutrinos in einem geladenen Stromdetektor diese Reaktion:

während Elektron-Antineutrinos diese Reaktion hervorrufen:

Und Detektoren können leicht zwischen Elektronen und Positronen unterscheiden, sodass sie Neutrinos und Antineutrinos leicht voneinander unterscheiden können.

In Ihrem Experiment senden Sie einen Strahl von Neutrinos aus, und der Detektor würde nur Neutrinos und keine Antineutrinos erkennen, aber das ist kein Beweis dafür, dass die beiden unterschiedliche Teilchen sind. Die Neutrinos, die Ihr Detektor aussendet, haben alle eine linkshändige Chiralität, während Antineutrinos alle eine rechtshändige Chiralität haben. Sie können die Chiralität ändern, indem Sie Ihren Detektor in die gleiche Richtung wie die emittierten Neutrinos mit einer Geschwindigkeit bewegen, die schneller ist als die Neutrinos sich fortbewegen. Das würde bedeuten, dass das linkshändige Neutrino in Ihrem Rahmen rechtshändig im Detektorrahmen wäre. Wenn Sie dies getan haben und Ihr Detektor anfing, Antineutrinos zu erkennen, hätten Sie bewiesen, dass es sich bei den beiden um dasselbe Teilchen handelt.

Aber aus offensichtlichen Gründen ist dies kein praktisches Experiment. Da Neutrinos so leicht sind, bewegen sie sich selbst bei geringer kinetischer Energie nahezu mit Lichtgeschwindigkeit. Ein Experiment zu entwerfen, bei dem sich der Detektor schneller bewegt als die Neutrinos, wäre bestenfalls eine Herausforderung!

Guter Punkt, solche Experimente wurden durchgeführt und sie sehen nichts. Aber da ist noch etwas.

Die Neutrinoquelle liefert nur linkshändige Neutrinos, deren Spin entgegen ihrer Laufrichtung zeigt, weil die schwache Wechselwirkung dafür sorgt.

Der Detektor kann nur für rechtshändige Antineutrinos empfindlich sein, deren Spins in ihre Bewegungsrichtung zeigen, weil die schwache Wechselwirkung dafür sorgt.

Wir sehen nichts - aber das könnte nur daran liegen, dass die Neutrinos die falsche Händigkeit haben, und nicht an einem Neutrino/Antineutrino-Unterschied.

Es ist also nicht bewiesen, und wir brauchen die Doppel-Beta-Zerfalls-Experimente.

Denn der einzige Weg, sicher zu sein, besteht darin, es aus dem Orbit zu nuklearen, indem man beobachtet, wie sie sich gegenseitig vernichten.

Der traditionelle Weg dafür besteht darin, einige Teilchen, vorzugsweise in Ruhe oder zumindest in einem Strahl, und einige Antiteilchen zu nehmen und sie zusammenzusetzen / zu werfen. Sie können dann beobachten, wie sie sich gegenseitig vernichten und zwei Photonen mit der Ruhemasse des Teilchens / Antiteilchens emittieren.

Für Neutrinos ist dies jedoch sehr schwierig. Sie können sie nicht effektiv aufhalten (zumindest nicht mit weniger als einem Lichtjahr oder so Blei). Sie können sie kaum zu einem Strahl fokussieren (nur durch Fokussieren von Teilchen zu einem Strahl, der dann in Neutrinos zerfällt). Im Allgemeinen bringen Sie sie kaum dazu, mit gewöhnlichem Material zu interagieren, geschweige denn miteinander (es passieren Billionen von Neutrinos jede Sekunde durch Ihren Körper, von denen die überwiegende Mehrheit niemals mit irgendeinem Teil Ihres Körpers interagiert).

Mit anderen Worten, was Sie brauchen, ist ein Prozess, bei dem Sie wissen, dass zwei Neutrinos herauskommen sollten (zwei Neutrinos, nicht ein Neutrino und ein Anti-Neutrino) und dann weniger dieser Prozesse beobachten, als Sie naiv annehmen würden, wenn die Neutrinos nicht wären ihr eigenes Antiteilchen. Denn wenn sie es sind, dann können sie vernichten, bevor Sie sie beobachten können. (Tatsächlich interferieren die quantenmechanischen Amplituden destruktiv, sodass sie nicht einmal Photonen mit der Ruhemasse erzeugen, sondern zu vollständig virtuellen Teilchen werden.)

Einer dieser Prozesse (der theoretisch am einfachsten zu verstehen ist und aufgrund all dieser radioaktiven Zerfälle am häufigsten in der Natur vorkommt) ist der Doppel-Beta-Zerfall, bei dem zwei Elektronen und zwei Anti-Elektronen-Neutrinos emittiert werden .