Forschungen an der Universität Hokkaido haben herausgefunden, dass schwer fassbare Teilchen, sogenannte Neutrinos, mit Photonen – den Elementarteilchen des Lichts und anderer elektromagnetischer Strahlung – auf eine bisher nicht nachgewiesene Weise interagieren können. Die Forschungsergebnisse des Honorarprofessors der Universität Hokkaido, Kenzo Ishikawa, und seines Kollegen Yutaka Tobei, Dozent an der Universität für Wissenschaft und Technologie Hokkaido, wurden in der Zeitschrift PhysicsOpen veröffentlicht.
„Unsere Ergebnisse sind wichtig für das Verständnis der quantenmechanischen Wechselwirkungen einiger der grundlegendsten Materieteilchen. Sie könnten auch dazu beitragen, Details derzeit kaum verstandener Phänomene in der Sonne und anderen Sternen aufzudecken“, sagte Ishikawa.
Neutrinos gehören zu den geheimnisvollsten Grundteilchen der Materie. Da Neutrinos kaum mit anderen Teilchen interagieren, sind sie äußerst schwierig zu untersuchen. Sie sind elektrisch neutral und haben nahezu keine Masse. Dennoch gibt es sie in Hülle und Fülle: Riesige Mengen an Neutrinos strömen aus der Sonne, durch die Erde und sogar durch uns selbst, fast ohne Wirkung. Mehr über Neutrinos zu erfahren ist wichtig, um unser aktuelles Verständnis der Teilchenphysik, das sogenannte Standardmodell, zu testen und zu verfeinern.
„Unter normalen ‚klassischen‘ Bedingungen interagieren Neutrinos nicht mit Photonen“, erklärt Ishikawa. „Wir haben jedoch enthüllt, wie Neutrinos und Photonen in gleichmäßigen Magnetfeldern in extrem großen Maßstäben – bis zu 103 Kilometern – interagieren können, wo solche Magnetfelder auftreten.
Schwacher elektrischer Hall-Effekt und seine Auswirkungen
Bei der von den Forschern beschriebenen Wechselwirkung handelt es sich um ein theoretisches Phänomen, das als elektroschwacher Hall-Effekt bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um die Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus unter extremen Bedingungen, bei der die beiden Grundkräfte der Natur – die elektromagnetische Kraft und die schwache Kraft – zu schwacher Elektrizität verschmelzen. Dabei handelt es sich um ein theoretisches Konzept, von dem man erwartet, dass es nur unter den extrem hohen Energiebedingungen des frühen Universums oder bei Kollisionen an Teilchenbeschleunigern anwendbar ist.
Die Forschung lieferte eine mathematische Beschreibung dieser unerwarteten Neutrino-Photonen-Wechselwirkung, die als Lagrange-Funktion bekannt ist. Es beschreibt alle bekannten Informationen über den Energiezustand des Systems.
„Unsere Studie hilft uns nicht nur, die grundlegende Physik zu verstehen, sondern könnte auch dazu beitragen, das Geheimnis der koronalen Erwärmung zu erklären“, sagte Ishikawa. „Dies ist ein seit langem bestehendes Rätsel um den Mechanismus, durch den die äußerste Atmosphäre der Sonne – die Korona – viel heißer wird als die Sonnenoberfläche. Unsere Arbeit zeigt, dass Wechselwirkungen zwischen Neutrinos und Photonen Energie freisetzen, die die Korona erwärmt.“
In seinen abschließenden Bemerkungen brachte Ishikawa den Wunsch seines Teams zum Ausdruck: „Wir hoffen nun, unsere Arbeit fortzusetzen und tiefere Einblicke zu gewinnen, insbesondere in den Energietransfer zwischen Neutrinos und Photonen unter diesen extremen Bedingungen.“