Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen mit sehr geringer Masse. Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik existieren drei Arten (Generationen) von Neutrinos: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Jede Neutrino-Generation besteht aus dem Neutrino selbst und seinem Anti-Neutrino. Der Name Neutrino wurde von Enrico Fermi für das von Wolfgang Pauli postulierte Teilchen vorgeschlagen und bedeutet (entsprechend der italienischen Verkleinerungsform ino) kleines neutrales Teilchen.

Bei Wechselwirkung der Neutrinos mit Materie finden, anders als bei vielen anderen bekannten Elementarteilchen, nur Prozesse der schwachen Wechselwirkung statt. Reaktionen erfolgen im Vergleich zur elektromagnetischen und starken Wechselwirkung also sehr selten. Deshalb geht ein Strahl von Neutrinos auch durch dicke Materieschichten – z. B. durch die ganze Erde – hindurch, wenn auch mit einer gewissen Schwächung. Entsprechend aufwendig ist der Nachweis von Neutrinos in Experimenten. mini|hochkant=1.3|Alle Elementarteilchen des Standardmodells:Grün sind die Leptonen, die untere Reihe davon sind die Neutrinos

Nach dem Entstehungsort der in Neutrinodetektoren beobachteten Neutrinos werden folgende Typen unterschieden: Kosmische Neutrinos (Weltall) Solare Neutrinos (Sonne) Atmosphärische Neutrinos (Erdatmosphäre) Geoneutrinos (Erdinneres) Reaktorneutrinos (Kernreaktoren) Neutrinos aus Beschleunigerexperimenten

Forschungsgeschichte mini|hochkant=1.72|Die erste Aufnahme eines Neutrinos in einer Blasenkammer gefüllt mit flüssigem Wasserstoff am Argonne National Labora­tory von 1970. Ein Neutrino kollidiert mit einem Proton. Die Reaktion erfolgte rechts im Bild – dort, wo drei Spuren zusammenlaufen. Der Neutrinostrahl wurde aus zerfallenden positiv geladenen Pionen gewonnen, die durch Beschuss eines Berylliumtargets mit dem Protonenstrahl erzeugt wurden. mini|hochkant=1.72|Oberes Bild (gespiegelt und aufgehellt) mit eingezeichneten Spu­ren der Reaktion . Ein Myon-Neutrino (unsichtbar) von unten links kommend kollidiert mit einem Proton des flüssigen Wasserstoffs. Als Ergebnis der Reaktion entsteht ein positiv geladenes Pion und ein negativ geladenes Myon . Die detaillierte Reaktion des Neutrinos mit den Quarks des Protons vermittelt über ein W-Boson (Schwache Wechselwirkung) ist schematisch rechts unterhalb der Spuren eingezeichnet.

Beim radioaktiven Beta-Minus-Zerfall wurde zunächst nur ein ausgesandtes Elektron beobachtet. Zusammen mit dem verbleibenden Kern schien es sich somit um ein Zweikörperproblem zu handeln (siehe auch Kinematik (Teilchenprozesse)). Damit ließ sich das kontinuierliche Energiespektrum der Beta-Elektronen nur erklären, wenn man eine Verletzung des Energieerhaltungssatzes annahm. Das führte Wolfgang Pauli dazu, ein neues Elementarteilchen anzunehmen, das – von den Detektoren unbeobachtet – gleichzeitig mit dem Elektron aus dem Kern ausgesandt wird. Dieses Teilchen trägt einen Teil der beim Zerfall frei werdenden Energie davon. Auf diese Weise können die Elektronen der Betastrahlung unterschiedlich viel kinetische Energie erhalten, ohne dass die Energieerhaltung verletzt ist.

Pauli schlug in einem Brief vom 4. Dezember 1930 dieses hypothetische Teilchen vor, das er zunächst Neutron nannte.. (PDF; 104 kB). In: neutrino.uni-hamburg.de. Abendvorlesung Geschichte der Neutrino-Physik, gehalten von Rudolf Mößbauer an der Technischen Universität München. Abgerufen am 12. Februar 2025. Enrico Fermi, der eine Theorie über die grundlegenden Eigenschaften und Wechselwirkungen dieses Teilchens ausarbeitete, benannte es um in Neutrino (italienisch für „kleines Neutron“, „Neutrönchen“), um einen Namenskonflikt mit dem heute bekannten Neutron zu vermeiden. Erst im Jahr 1933 präsentierte Pauli seine Hypothese einem breiteren Publikum und stellte die Frage nach einem möglichen experimentellen Nachweis. Da das Neutrino in den üblichen Teilchendetektoren kein Signal erzeugte, war klar, dass es nur äußerst schwer nachweisbar sein würde.

Tatsächlich gelang die erste Beobachtung erst 23 Jahre später, 1956, an einem der ersten großen Kernreaktoren mit dem Cowan-Reines-Neutrinoexperiment.Claus Grupen, Boris Shwartz: Particle Detectors (Cambridge Monographs on Particle Physics, Nuclear Physics and Cosmology). Cambridge University Press 2008, ISBN 978-0-521-84006-4. Die Forscher sandten am 14. Juni 1956 Wolfgang Pauli ein Telegramm mit der Erfolgsmitteilung nach Zürich. Ein Kernreaktor emittiert durch den Betazerfall der Spaltprodukte Neutrinos (genauer: Elektron-Antineutrinos) mit viel höherer Flussdichte, als mit einem radioaktiven Präparat erreichbar wäre. Reines und Cowan benutzten zur Detektion der Antineutrinos die folgende Teilchenreaktion (den sog. inversen Betazerfall):

Ein Antineutrino trifft auf ein Proton und erzeugt ein Positron und ein Neutron. Diese Reaktionsprodukte sind beide vergleichsweise leicht beobachtbar. Für diese Entdeckung erhielt Reines 1995 den Nobelpreis für Physik.

Das Myon-Neutrino wurde 1962 von Jack Steinberger, Melvin Schwartz und Leon Max Lederman mit dem ersten an einem Beschleuniger hergestellten Neutrinostrahl entdeckt. Den Neutrinostrahl erzeugten sie, indem sie einen hochenergetischen Pionenstrahl so weit laufen ließen, dass ein Teil der Pionen (etwa 10 %) in Myonen und Neutrinos zerfallen war. Mit Hilfe einer massiven, etwa 12 m dicken Stahlabschirmung, die von dem gemischten Teilchenstrahl aus Pionen, Myonen und Neutrinos alle Teilchen außer den Neutrinos aufhielt, konnten sie dann einen reinen Neutrinostrahl gewinnen. Sie erhielten dafür den Physiknobelpreis des Jahres 1988. Mit dem Myon-Neutrino wurde eine zweite Neutrinogeneration bekannt, die das Analogon zum Elektron-Neutrino für Myonen darstellt. Kurzzeitig war für das Myon-Neutrino die Bezeichnung Neutretto in Verwendung (-etto ist ebenfalls eine italienische Verkleinerungsform), die jedoch keine große Verbreitung fand. Als 1975 das Tauon entdeckt wurde, erwarteten die Physiker auch eine zugehörige Neutrinogeneration, das Tauon-Neutrino. Erste Anzeichen für dessen Existenz gab das kontinuierliche Spektrum im Tauon-Zerfall, ähnlich wie beim Betazerfall. Im Jahr 2000 wurde dann am DONUT-Experiment das Tau-Neutrino erstmals direkt nachgewiesen.

Das von 1993 bis 1998 laufende LSND-Experiment in Los Alamos wurde als Hinweis auf die Existenz steriler Neutrinos interpretiert, war jedoch umstritten. Nachdem das KArlsruhe-Rutherford-Mittel-Energie-Neutrino-(KARMEN)-Experiment unter der Federführung des Forschungszentrums Karlsruhe am britischen Rutherford-Labor die Ergebnisse nicht reproduzieren konnte, gilt diese Interpretation seit 2007 durch erste Ergebnisse von MiniBooNE (Miniature Booster Neutrino Experiment am Fermi National Accelerator Laboratory) als offen.MiniBooNE Collaboration: A Search for Electron Neutrino Appearance at the ∆m² ∼ 1 eV² Scale. In: Physical Review Letters, Band 98, 2007, 231801, (PDF; 194 kB). Abgerufen am 12. Februar 2023. Eine Neuauswertung von Elektronenreferenzspektren des Instituts Laue-Langevin im Jahr 2011 deutet ebenfalls auf die Existenz eines vierten, leichten sterilen Neutrinos hin. Ausgelöst durch die 2011er-Studie suchten mehrere Experimente in sehr kurzen Entfernungen von Kernreaktoren nach sterilen Neutrinos. Während die meisten die Existenz von leichten sterilen Neutrinos ausschließen konnten, sind die Ergebnisse insgesamt nicht eindeutig.

In der Neutrinoforschung des 21. Jahrhunderts wurden bisher vier Wissenschaftler mit dem Nobelpreis für Physik (2002 und 2015) und fünf Wissenschaftler-Teams mit dem Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2016 ausgezeichnet.

Eigenschaften

Drei Generationen von Neutrinos und Antineutrinos

Es sind drei Generationen von Leptonen bekannt. Jede davon besteht aus einem elektrisch geladenen Teilchen – Elektron, Myon oder Tauon – und jeweils einem elektrisch neutralen Neutrino, Elektron-Neutrino (), Myon-Neutrino () bzw. Tau- oder Tauon-Neutrino (). Hinzu kommen die entsprechenden drei Antiteilchen.

Neutrinos können sich ineinander umwandeln. Das führt zu einer Beschreibung der Neutrino-Arten als drei verschiedene Zustände , und , die jeweils eine andere, scharf bestimmte (aber noch unbekannte) Masse haben. Die beobachtbaren Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos – benannt nach dem jeweiligen geladenen Lepton, mit dem zusammen sie auftreten – sind quantenmechanische Überlagerungen dieser drei Massen-Eigenzustände. Der Zusammenhang zwischen den Flavour-Eigenzuständen (, , ) und den Massen-Eigenzuständen (, , ) wird durch eine Mischungsmatrix dargestellt, die PMNS-Matrix.

Die Anzahl der Neutrinoarten mit einer Masse, die kleiner als die halbe Masse des Z-Bosons ist, wurde in Präzisionsexperimenten u. a. am L3-Detektor am CERN zu genau drei bestimmt.

Es gibt derzeit keine Hinweise auf einen neutrinolosen doppelten Betazerfall. Frühere Arbeiten, die dies nahegelegt hatten, wurden durch genauere Messungen widerlegt.. In: ph.tum.de. Physik-Department, Technische Universität München, 16. Juli 2013, abgerufen am 12. Februar 2025. Ein neutrinoloser doppelter Betazerfall würde bedeuten, dass entweder die Erhaltung der Leptonenzahl verletzt oder das Neutrino sein eigenes Antiteilchen wäre. In der quantenfeldtheoretischen Beschreibung hieße dies (im Widerspruch zum jetzigen Standardmodell), dass das Neutrinofeld kein Dirac-Spinor, sondern ein Majorana-Spinor wäre.

Spin und Helizität

Neutrinos haben, genauso wie die geladenen Leptonen, den Spin ½.

Die Physiker Lee und Yang gaben den Anstoß für ein Experiment zur Untersuchung der Spins von Neutrinos und Antineutrinos. Dieses wurde 1956 von Chien-Shiung Wu ausgeführt und zeigte, dass die Paritätserhaltung nicht ausnahmslos gilt:

Das Neutrino erwies sich als „Linkshänder“, sein Spin ist seiner Bewegungsrichtung entgegengesetzt (antiparallel; siehe Händigkeit). Ein Antineutrino ist dagegen rechtshändig. Damit wird eine objektive Erklärung von links und rechts möglich. Im Bereich der schwachen Wechselwirkung muss demnach beim Übergang von einem Teilchen zu seinem Antiteilchen nicht nur eventuell vorhandene elektrische Ladung, sondern auch die Parität, also der Spin, vertauscht werden. Die schwache Wechselwirkung unterscheidet sich also von der elektromagnetischen Wechselwirkung durch die Verknüpfung des schwachen Isospins mit der Rechts- oder Links-Händigkeit eines Teilchens: Bei den Leptonen und Quarks haben nur die linkshändigen Teilchen und ihre rechtshändigen Antiteilchen einen von Null verschiedenen schwachen Isospin. Dagegen sind die rechtshändigen Teilchen und ihre linkshändigen Antiteilchen gegenüber schwachen Wechselwirkungen mit W-Bosonen inert; dieses Phänomen bezeichnet man als maximale Paritätsverletzung. Gleichzeitig wird auch die Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie (C-Symmetrie) verletzt. Lange schien es so, dass die Physik unter der kombinierten CP-Symmetrie invariant ist, bis 1964 auch eine Verletzung der CP-Symmetrie experimentell bestätigt wurde.

Dadurch wird auch verständlich, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sein könnten, obwohl sich Neutrinos und Antineutrinos im Experiment verschieden verhalten: Die aus dem Experiment als Antineutrinos bekannten Teilchen wären einfach Neutrinos, deren Spin parallel zur Bewegungsrichtung ist. Man kann die Bewegungsrichtung der Neutrinos experimentell nicht einfach umdrehen; auch kann man derzeit keine Experimente durchführen, bei denen ein Neutrino von einem schnelleren Teilchen eingeholt wird und mit diesem wechselwirkt, sodass die Bewegungsrichtung im Bezugssystem des Wechselwirkungsschwerpunkts der Bewegungsrichtung im Bezugssystem des Labors entgegengesetzt ist.

Masse mini|hochkant=1.2|Transport des Vakuumtanks für das KATRIN-Experiment zur Bestimmung der Neutrinomasse (Nov. 2006)

Die Masse der Neutrinos ist extrem klein; alle Experimente geben bislang nur obere Grenzen an. Aber seit der Entdeckung der Neutrinooszillationen steht fest, dass sie eine von Null verschiedene Masse haben müssen.