Der Schulstoff:
Der Betazerfall wird in der Regel in der Schule behandelt:
Ein Neutron n wandelt sich in ein Proton p um. Das passiert mit freien Neutronen immer (ihre Lebensdauer liegt bei 15 Minuten), bei Neutronen im Atomkern nur, wenn dadurch der Kern in einen niedrigeren Energiezustand gerät. Das ausgesandte Elektron e- stellt die Betastrahlung dar.
Das Extra-Futter:
Was beim Neutronenzerfall eigentlich passiert, wird dagegen selten behandelt:
In der einfachsten Version kann man sagen: das n wandelt sich in ein p, ein e- und ein sog. Antielektronenneutrino um.
Lehrerpraktikum Uni Göttingen
Das Neutrino ist sehr schwer nachzuweisen. Es hat fast keine Masse (im Bereich meV), nahezu Lichtgeschwindigkeit und zeigt keinerlei typische Wechselwirkungen mit Materie, außer der durch die schwache Kraft vermittelte.
Deshalb dachte man zuerst, dass der Energie- und Impulserhaltungssatz beim Betazerfall verletzt seien. Bis Pauli vor fast 90 Jahren voller Verzweiflung (um die Erhaltungssätze zu retten) das Neutrino erfand.
Heute kann man Neutrinos nachweisen, am Südpol stehen sogar riesige Neutrinoteleskope.
Das wäre mal ein Thema für einen anderen Post.
Erklärung des Betazerfalls durch die schwache Kraft:
Wie man sich den Betazerfall im Rahmen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik vorstellt, zeigt dieses Diagramm (wikipedia common):
Das Neutron besteht aus drei Quarks udd. Eines der d - Quarks wandelt sich durch die von einem negativen Weakon W- vermittelte schwache Kraft in ein u-Quark um. Das W- erzeugt ein Paar aus Elektron und Antielektronenneutrino.
Viele Erhaltungssätze beim Betazerfall:
Bei dem Prozess spielen mehrere Erhaltungssätze eine Rolle. Erhaltungssätze, die viel wichtiger sind als die klassischen Energie- und Impulserhaltungssätze:
Erhaltungssatz der Materie: Mit jedem Materieteilchen muss auch ein Anti-Materieteilchen entstehen.
Erhaltungssatz der Elektroneneigenschaft: Wenn eine Elektroneneigenschaft (was auch immer das ist, es ist das, was ein Elektron zu einem Elektron macht, und das ist nicht die Ladung...) entsteht, dann muss auch eine Anti-Elektroneneigenschaft entstehen. Diese wird hier vom Neutrino getragen, deshalb ist es ein Anti-Elektronenneutrino.
Erhaltungssatz der Leptonenzahl: Ein Elektron ist ein Lepton. Entsteht ein Lepton, so muss auch ein Anti-Lepton entstehen. Das wäre das Anti-Neutrino.
(Ich behandel das soweit auch immer in E1 beim Impulserhaltungssatz, damit man mal sieht, was Forschende alles unternehmen um ihre Erhaltungssätze zu retten. Sie erfinden neue Teilchen...und haben sogar Erfolg damit, weil es diese gibt...Zum Abschluss gibt es dann immer ein "Bild" des Sonnenzentrums, mit einem Neutrinoteleskop durch die Erde hindurch "aufgenommen").
Doppelter Betazerfall DBZ:
Es gibt einige Atomkernarten, bei denen sich zwei Neutronen gleichzeitig in je ein Proton umwandeln.
Dann müssen zwei Elektronen und zwei Antielektronen-Neurtrinos entstehen.
Diese Zerfälle sind sehr selten, sie haben Halbwertszeiten von über 10^19 Jahren.
DBZ DNBZ (WWU Münster)
Doppelter Neutrinoloser Betazerfall DNBZ
Es gibt Anzeichen dafür, dass die Leptonenzahl nicht immer erhalten ist. Dann könnten Neutrino und Anti-Neutrino identisch sein. Da beim DNBZ zwei Neutrinos gleichzeitig entstehen, kann man eins als Neutrino und eins als Anti-Neutrino ansehen. Dann könnten sich beide gegenseitig aufheben.
Man würde dann, wie der Name DNBZ schon sagt, nur die beiden Elektronen nachweisen.
Dieser Prozess, wenn es ihn überhaupt gibt, ist noch seltener, seine Halbwertszeit liegt Berechnungen nach über 10^28 Jahre.
Da die Halbwertszeiten mit den Neutrinomassen verbunden sind, ist eine Messung eine willkommene Gelegenheit mehr über die Neutrinomassen zu erfahren.
Im nächsten Post zu diesem Thema müssen wir klären:
Wie kann man so extrem seltene Ereignisse messen? Dazu werden wir in das tiefste Labor der Erde gehen.