Wo sind all die langsamen Neutrinos?

Genau genommen ist es in der Tat falsch, dass sich Neutrinos mit „nahezu Lichtgeschwindigkeit“ fortbewegen. Wie Sie sagten, können sie, da sie Masse haben, wie jedes andere massive Objekt behandelt werden, wie Billardkugeln. Und als solche bewegen sie sich relativ zu etwas nur annähernd mit Lichtgeschwindigkeit . Relativ zu einem anderen mitbewegten Neutrino wäre es in Ruhe.

Die Aussage gilt jedoch für fast alle praktischen Zwecke. Dabei spielt es keine Rolle, in welchem ​​Bezugssystem man ein Neutrino betrachtet. Der Grund ist, dass ein nicht-relativistisches Neutrino mit nichts wechselwirkt. Oder anders gesagt: Alle Neutrinos, die man nachweisen kann, müssen zwangsläufig relativistische Geschwindigkeiten haben.

Lassen Sie mich näher darauf eingehen. Da Neutrinos nur schwach wechselwirken, sind sie bereits extrem schwer nachzuweisen, selbst wenn sie hohe Energien (> GeV) haben. Geht man zu immer niedrigeren Energien, nimmt auch der Wirkungsquerschnitt immer mehr ab. Aber es gibt noch einen weiteren wichtigen Punkt. Die meisten Neutrino-Wechselwirkungsprozesse haben eine Energieschwelle, um auftreten zu können. Zum Beispiel der inverse Beta-Zerfall

bei dem ein Antineutrino ein Proton in ein Neutron und ein Positron umwandelt und das häufig als Nachweisverfahren für Neutrinos verwendet wird, hat eine Schwelle von 1,8 MeV Antineutrinoenergie. Das Neutron und das Positron sind massereicher als das Antineutrino und das Proton, daher muss das Antinneutrino genug Energie haben, um die überschüssige Masse des Endzustands (1,8 MeV) zu erzeugen. Unterhalb dieser Energie kann das (Anti-)Neutrino diese Reaktion nicht mehr eingehen.

Eine besonders niederschwellige Reaktion ist die elastische Streuung eines Elektrons an einem Atom. Dies erfordert nur eine Schwellenenergie in der Größenordnung von eV (die benötigt wird, um das Elektron auf ein höheres atomares Energieniveau zu bringen). Aber ein Neutrino mit eV-Energien wäre immer noch relativistisch!

Unter der Annahme, dass ein Neutrino eine Masse von etwa 0,1 eV hat, würde dies immer noch einen Gammafaktor von bedeuten$\gamma\approx 10$. Damit ein Neutrino nichtrelativistisch ist, müsste es eine kinetische Energie im Milli-eV-Bereich und darunter haben. Dies ist der erwartete Energiebereich von Neutrinos im kosmischen Hintergrund , Relikte aus den frühesten Zeiten des Universums. Sie sind sozusagen die Neutrino-Version des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Nicht-relativistische Neutrinos existieren also nicht nur (nach gängigen kosmologischen Modellen), sie sind auch überall um uns herum. Tatsächlich ist ihre Dichte auf der Erde$\approx$50 Mal größer als Neutrinos von der Sonne!

Ob sie jemals experimentell nachgewiesen werden können, ist umstritten. Es gibt einige Vorschläge (und sogar ein Prototyp-Experiment ), aber über die praktische Umsetzbarkeit solcher Versuche gibt es unterschiedliche Meinungen. Der einzige Prozess, der Neutrinos bei solch kleinen Energien bleibt, ist der neutrinoinduzierte Zerfall instabiler Kerne . Wenn Sie ein bereits radioaktives Isotop haben, ist es so, als würde das Neutrino ihm einen kleinen "Schub über den Rand" geben. Das$\beta$-Elektron, das beim induzierten Zerfall freigesetzt wird, würde dann eine etwas größere Energie erhalten als der Q-Wert des spontanen Zerfalls, und die experimentelle Signatur wäre ein winziger Peak rechts vom Normalwert$\beta$-Spektrum. Dies wird immer noch ein äußerst seltener Vorgang sein, und das große Problem besteht darin, einen Apparat mit einer ausreichend guten Energieauflösung zu bauen, damit der Peak vom Spektrum des normalen spontanen Kernzerfalls (inmitten des ganzen Hintergrunds) unterschieden werden kann. Das Katrin-Experiment versucht, den Endpunkt von zu messen$\beta$-Spektrum von Tritium zur Bestimmung der Neutrinomasse. Aber unter sehr günstigen Umständen haben sie sogar eine gewisse Chance, eine solche Signatur von Neutrinos im kosmischen Hintergrund zu entdecken.

TL;DR: Tatsächlich gibt es überall nicht-relativistische Neutrinos, aber sie interagieren so enorm wenig, dass sie überhaupt nicht zu existieren scheinen.

Der experimentelle Nachweis langsamer Neutrinos ist zwar ein großes Problem, aber eines, das sehr wichtig ist.

Der kosmische Neutrino -Hintergrund hat eine Temperatur von etwa 2 K und besteht wahrscheinlich aus nicht-relativistischen Neutrinos für plausible Neutrino-Ruhemassen – mit einer Dichte von etwa 340 cm$^{-3}$(alle Geschmacksrichtungen). Es ist genau aus dem Grund, den Sie vorschlagen, bei dieser niedrigen Temperatur - es wurde mit einer Rotverschiebung von etwa emittiert$10^{10}$.

Natürlich gibt es indirekte Beweise für diese Neutrinos aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund ( Follin et al. 2015 ), aber es gibt Bemühungen, diese Neutrinos direkt nachzuweisen – siehe Faessler et al. (2016) und KATRIN .

Ein interessanter Gedanke ist, dass, wenn Sie Ihren Apparat irgendwie auf eine sich bewegende Plattform bringen könnten, es eine merkliche Änderung des C geben würde$\nu$B Erkennungseffizienz in der "vorwärts" gerichteten Richtung, wenn Sie auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigen könnten. Ich nehme an, dies ist das entgegengesetzte Szenario zu Ihrer Frage - Sie würden die langsamen Neutrinos durch Ihre Relativbewegung relativistisch machen.