Pauli's Missing Arrow — the Neutrino

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Pauli's Missing Arrow — the Neutrino – Mechanik
Pauli's Missing Arrow — the Neutrino – Mechanik

1930 schien der Betazerfall zwei der am besten geprüften Gesetze der Physik zu verletzen. Hier zerfällt ein ruhender Kern einmal in einem kugelförmigen Detektor, der innen mit Lichtsensoren ausgekleidet ist und nur geladene Teilchen sieht: Ein Elektron fliegt zur Wand, während der Kern in die andere Richtung zurückgestoßen wird. Spitze an Ende gelegt, kehren ihre gemessenen Impulspfeile nicht zum Ausgangspunkt zurück, und das Elektron bekommt nie die ganze freigesetzte Energie. Ein Histogramm von 2000 Elektronen aus derselben Quelle zeigt eine stetige Verteilung statt einer einzigen scharfen Linie. Ein Schalter prüft Wolfgang Paulis Idee: Fügen Sie ein unsichtbares, neutrales Teilchen hinzu und sehen Sie, ob beide Gesetze wieder gelten.

So benutzt du diese Simulation

Worauf du achten solltest

Die Physik dahinter

Vor dem Zerfall ruht der Kern, der Gesamtimpuls ist also 0, und der Zerfall setzt eine Energie Q frei, 1,16 MeV bei Bismut-210. Die kinetische Energie T des Elektrons folgt dem erlaubten Spektrum N(T) ∝ pE(Q − T)², einer stetigen Verteilung von 0 bis Q mit dem Maximum bei etwa 0,4 MeV. Der gezeigte Zerfall gibt seinem Elektron die Median-Energie des Spektrums, 0,45 MeV, sodass es mit 85 % der Lichtgeschwindigkeit und einem Impuls von 0,82 MeV/c startet und die knapp 1 m entfernte Wand nach 3,9 ns erreicht. Wären Elektron und Kern die einzigen Produkte, würde die Impulserhaltung sie genau entgegengesetzt mit gleich großen Impulsen auseinandertreiben, und jedes Elektron trüge T = Q: eine einzige scharfe Linie. Stattdessen beträgt die gemessene Summe p_e + p_N 0,71 MeV/c statt 0, die beiden Spuren bilden einen Winkel von 133°, und T ist kleiner als Q. Paulis Teilchen, neutral und masselos, nimmt den Rest: die Energie Q − T = 0,71 MeV und einen Impuls vom gleichen Betrag, 0,71 MeV/c, in seine eigene Richtung. Der Kern stößt mit p_N = −(p_e + p_ν) zurück, wegen seiner großen Masse nur mit etwa 1,4 km/s, und die drei Pfeile schließen sich: 0 vorher, 0 nachher. Pauli schlug das Teilchen 1930 vor; Enrico Fermi nannte es Neutrino, und 1956 wiesen Clyde Cowan und Frederick Reines es nach.

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