Elektroschwache Wechselwirkung

Reaktionen von weichen Antineutrinos mit Materie Seite 1 aus 26

Reaktionen von weichenAntineutrinos mit Materie

Peter H. RassmannMärz 2008

Dieses Papier liefert Background-Informationen über die Antineutrino-Strahlung von Kernkraftwerken. Eine steife Portion wissenschaftlicherAllgemeinbildung ist nötig. Es werden überraschende Einsichten geliefert.Die solaren Neutrinos werden als Verursacher von Sonnenbrand entlarvt,und Sie lernen, warum Platin im Frühstück gefährlich sein kann.

Executive Summary: Kernkraft & Neutrinostrahlung:- Effekte müssen experimentell bestätigt werden.- Nur so planbares Vorgehen möglich.

Status: WiP (Work in Progress)

Peter H Rassmann, Paul Gossen Str. 34, 91052 Erlangen 05.05.08Tel. +49 172 442 3637 e-mail: [email protected] WiP


Inhalt0. Weiche Antineutrinos.............................................................................................................31. Energiespektrum der Antineutrinos aus kommerziellen Reaktoren......................................42. Bisherige Messungen............................................................................................................63. Inverser β-Zerfall...................................................................................................................74. Die 3 Alpha Reaktion als Vorlage..........................................................................................85. Reaktionen von Antineutrinos mit Atomen?........................................................................10

5.1 Bemerkungen...............................................................................................................125.2 Klassischer inverser β-Zerfall.......................................................................................135.3 Induzierter α-Zerfall......................................................................................................155.4 Kernspaltung durch inversen β-Zerfall.........................................................................175.5 Inelastische Neutrinostreuung......................................................................................18

6. Keine Messungen und keine Theorie..................................................................................207. Solare Neutrinos .................................................................................................................228. Vergleich mit anderer Strahlung..........................................................................................26

Hinweis:

In diesem Papier werden hypothetische Reaktionen vorgeschlagen, quasi als Brain-Storming Collection destheoretischen Möglichkeitsraumes. Die Motivation ist, eine experimentelle Widerlegung oder Verifizierung zuinitiieren. Dieses Papier wurde von Niemanden in Auftrag gegeben oder finanziert, so dass sich Niemand für seineRichtigkeit verantworten muss. Ich habe mich bemüht, nützliche Informationen und Tipps zu liefern. Aber: AlleAngaben ohne Gewähr.

Alle Bilder und Diagramme mit GNU Public Licence. Quelle www.wikipedia.org oder Eigenanfertigungen.

Autor

Peter H. RassmannPaul Gossen Str. 3491052 ErlangenDeutschland

e-Mail: [email protected]: +49 172 442 3637Fon: +49 9131 400 2389



0. Weiche Antineutrinos

Wenn Sie dieses Papier lesen, werden Sie vermutlich schon wissen, was einNeutrino ist: Neutrinos sind Elementarteilchen, die in Kernreaktionen und inExperimenten an Beschleunigern vorkommen. Ihre Eigenschaften sind nochnicht komplett erforscht. So weiß man bisher nicht, ob ihre Masse nur sehrklein ist oder ob sie überhaupt keine Masse tragen. Wenn Sie davonausgehen, dass Neutrinos keine Masse haben, dann bleiben die folgendenEigenschaften, die ein Neutrino beschreiben: Es ist ein elektrischungeladenes Nichts ohne Masse, dass einen Drehimpuls hat. DieserDrehimpuls ist gleich dem Drehimpuls, den ein Elektron trägt. Im Gegensatzzu Elektronen, die sich in beide Richtungen – bezogen auf ihre Flugrichtung -drehen können, drehen sich Neutrinos immer nur „links herum“. Dafür gibt esdie „linke Hand Regel“: Wenn der Daumen der linken Hand in Flugrichtungzeigt, drehen sich die Neutrinos so, wie die Finger zeigen.

Antineutrinos, die Antiteilchen der Neutrinos, drehen sich immer rechtsherum. Manchmal fragen sich die Theoretiker, ob es wirklich Teilchen undAntiteilchen sind, oder ob vielleicht die Antineutrinos nichts weiter sind alsNeutrinos, die sich anders herum drehen?

Eine beliebte Maßeinheit für Energie im atomaren und subatomaren Bereichist das Elektronen-Volt, abgekürzt „eV“. 1 eV ist die kinetische Energie, dieein Elektron aufnimmt, wenn es mit einer Spannung von 1 Volt beschleunigtwird. Die Bindungsenergien der Elektronen an die Atomkerne liegen in derGrößenordnung ein paar eV, bis zu ein paar keV. Dabei ist 1 keV = 1000 eV,1 MeV = 1000 keV, 1 GeV = 1000 MeV usw. mit den Bedeutungen „k“ für„Kilo“, „M“ für „Mega“ und „G“ für „Giga“.

In der Kerntechnik liegen typische Energieunterschiede im Bereich 0,01 MeVbis ein paar hundert MeV. Bei einer Kernspaltung werden etwa 200 MeV anEnergie freigesetzt.

Nach der Formel E=m*c2 können den Ruhemassen der subatomarenTeilchen entsprechende Energie zugeordnet werden. Sie liegen etwa bei1000 MeV für Proton und Neutron, und 0,5 MeV für das Elektron und seinAntiteilchen, das Positron. Das Neutron ist etwas schwerer als das Protonplus das Elektron, etwa um 0,8 MeV. Und ein Neutron plus ein Positron istetwa 1,8 MeV schwerer als ein Proton.

Die Energiebereiche von etwa 0,01 MeV bis ein paar MeV sind für diefolgenden Überlegungen interessant. Kernreaktoren produzieren riesigeMengen an Neutrinos, genauer gesagt Anti-Neutrinos, die Energien indiesem Bereich tragen. Ich nenne sie „weiche Neutrinos“ im Gegensatz zu„harten Neutrinos“ mit wesentlich höheren Energien, die an Teilchen-Beschleunigern erzeugt werden können. Es sollen auch noch massenweiseGeister-Neutrinos unterwegs sein, wenn man den Theorien vom Big Bangglaubt. Sie tragen so wenig Energie, dass sie in keiner bekannten Weisereagieren können und nicht nachweisbar sind. Weiche (Anti-) Neutrinos tragen Energien von 0,01 MeV bis ein einige MeV.



1. Energiespektrum der Antineutrinos aus kommerziellen Reaktoren

Ein kommerzieller Druckwasserreaktor (KWU Konvoi Klasse) erzeugt eineelektrische Leistung von etwa 1,3 GW und eine thermische Leistung von ca.4 GW. Die gesamte Energiefreisetzung (Leistung) liegt bei 4,3 GW. 300 MWwerden als „Anti-Neutrinos“ abgestrahlt. Das Antineutrino-Spektrum auseinem Reaktor ist im Detail unbekannt. Das betrifft vor allem den Anteil desSpektrums mit relativ „weichen“ (energiearmen) Antineutrinos, die von denradioaktiven Spaltprodukten emittiert werden. Das genaue Spektrum derAntineutrinos ist unter Anderem vom Typ, Brennstoff, Fahrweise und vomAlter der Anlage abhängig. Nach groben Schätzungen werden dieAntineutrinos mit einem Energiespektrum abgestrahlt, dessen Peak(Maximum) etwa bei 1 MeV liegt.

Die folgende Darstellung zeigt in sehr qualitativer Form dasAntineutrinospektrum eines KKWs. Für niedrige Energien ist das Spektrumwegen der Vielzahl unterschiedlicher (Nach-)Zerfallsprodukte weitgehendunbekannt.

Energie der Antineutrinos (MeV)

Anzahl ausgesandterNeutrinos pro dE

Antineutrinospektrum eines KKW(schematisch)

? ?

? ?

? ?

experimentellerschlossenerBereich

? ?

1 2

Das Antineutrinospektrum eines KKWs kann nur theoretischberechnet werden. Das gilt für jeden β--Strahler, weil entsprechendeMesstechniken für Neutrinos fehlen. Bei einem β--Strahler ergibt sichdas Antineutrino-Spektrum aus dem messbaren β--Spektrum und derRückstoßenergie des Kerns über Impuls- und Energieerhaltung. Umdas Antineutrinospektrum eines KKWs zu erhalten, müssen dieSpektren aller Strahler darin gemäß ihrem Massenanteil gewichtet undaddiert werden. Aus messtechnischen Gründen wurden bisher nurVersuche mit Antineutrinos durchgeführt, deren Energie 1,8 MeVübersteigt, wie im Bild oben eingetragen.


ca. 97 %bisher ohne jedeexperimentelleUntersuchung

ca. 3 % wurdenbisher angemessen


Hilfreich ist 1 eV = 1.602 176 53 * 10−19 J

Für ein KKW mit 4000 MW thermischer Leistung und etwa 250 MWNeutrinostrahlung ergibt sich bei einer angenommenen durchschnittlichenEnergie von 1 MeV pro Neutrino für den gesamten Teilchenfluss.

(Neutrino-Energie pro Sekunde aus KKW) / (1 MeV pro Teilchen) = ( 2,5 * 10 8 J/s ) / ( 1,6 * 10−13 J/Teilchen ) = 1,5 * 10 21 Teilchen / s

Das ist natürlich nur eine sehr grobe Abschätzung. Für den Fluss in einerEntfernung von 1 km, also durch die Kugelfläche 4πR2 mit R = 1 km, ergibtsich

1,2 * 1010 Antineutrinos pro Sekunde pro cm2 in 1 km Entfernung zu KKW, mit1 MeV Energie pro Teilchen

Das Bild rechts zeigt ein theoretischberechnetes Spektrum für einengegebenen Reaktorbrennstoff. Auf dieganzen Details kann ich leider nichteingehen, sondern nur ein paarallgemeine Hinweise geben.Trivialerweise ist die Skalierung undNormierung wichtig. Im Bildangegeben ist die Anzahl anNeutrinos pro Spaltungs-Ereignis imReaktor pro MeV Intervall auf derEnergie-Achse.

Die logarithmische Skala erschwert die „Flächensummierung perAugenschein“. Eine doppelt logarithmische Skala, wie sie in der Literaturgerne und gerade für solare Neutrinos verwendet wird, macht die Aufgabenicht gerade leichter.

Das nächste Bild zeigt ein Beispiel,welchen Einfluss der Einfang einesNeutrons im Reaktor durch irgendeinMaterial mit anschließenden β-Zerfallhat. Da es im Reaktor und derAbschirmung verschiedenes Materialgibt, das sich dynamisch ändert, istdas Spektrum im niederenergetischenBereich – komplex.



2. Bisherige Messungen

Die Wechselwirkung von Antineutrinos mit Materie wurde bisher nur über dieReaktion

++ +→+ enpeν

gemessen. Die Schwellenenergie für diese Reaktion liegt bei etwa 1,8 MeV,so dass die meisten Antineutrinos diese Reaktion gar nicht auslösen können.Bisher wurden ausschließlich für diesen Reaktionskanal Messungen mitReaktorneutrinos durchgeführt.

Neutrinos (und damit Antineutrinos) wurden in den 30ern theoretischvorhergesagt, um das kontinuierliche Spektrum von β--Strahlern zu erklären,und um den Satz von der Erhaltung des Drehimpulses zu retten. DerNachweis erfolgte dann in den 50ern über die hier genannte Reaktion aneinem Kernreaktor. Diese Reaktion wurde für den Nachweis ausgesucht, weilsie eine sehr eindeutige Signatur für ein Ereignis liefert, das nur durch einNeutrino ausgelöst werden kann. Andere Reaktionen führen nicht zumeindeutigen Nachweis von Neutrinos, weil die durch sie ausgelöstenMessungen auch durch andere Arten von Strahlung verursacht werdenkönnen. Für den Experimentator ist es in der Nähe eines Reaktors schwer zuunterscheiden, ob eine Reaktion in seiner Apparatur durch ein Neutrino oderdurch andere Radioaktivität ausgelöst wird. Zu dieser Zeit ging es in ersterLinie um den eindeutigen Nachweis von Neutrinos.

Der Wirkungsquerschnitt (Wahrscheinlichkeit) für die verwendeteNachweisreaktion

++ +→+ enpeν

wurde mehrfach gemessen und ist so klein, dass solche Reaktionen für dieUmweltbelastung von Kernkraftwerken vernachlässigt werden können(höchstens einige Reaktionen pro Kilogramm bestrahltes Material pro Tag inder direkten Umgebung des Reaktors).

Bei diesen Messungen fungiert ein Atomkern eines Wasserstoffatoms (alsoein Proton) als Zielmaterials, und das freigesetzte Neutron und das Positron– die gleichzeitig entstehen - werden über Koinzidenzmessungennachgewiesen, was eindeutig eine Neutrino-Reaktion anzeigt. Aus demobigen Antineutrinospektrum eines KKWs lässt sich ablesen, dass diemeisten Antineutrinos aus einem KKW nicht genug Energie tragen, umsolche Reaktionen auszulösen (Reaktionen nur für E > 1,8 MeV, dieseEnergie haben etwa 3 % der Neutrinos).

Von den 50ern an galt die Existenz des Neutrinos als bestätigt, so dass einwissenschaftliches Interesse an anderen Neutrino-Kernreaktionen erlosch.Das soll nicht besagen, dass kein Interesse an Neutrinos mehr bestand: ImGegenteil. Es rückten andere Fragestellungen elementarer Art in denFordergrund: Solare Neutrinos und unterschiedliche Neutrino-Typen (Myon-und Tau-Neutrinos) wurden gemessen oder nachgewiesen.



3. Inverser ββββ--Zerfall

Freie Neutronen sind instabil und zerfallen nach der Formel:

−+ ++→ epn eν

Das ist gleichzeitig die Grundgleichung für den β--Zerfall, da angenommenwird, dass beim β--Zerfall im Atomkern ein Neutron (n) in ein Proton (p+)

umgewandelt wird, wobei ein Elektron (e-) und ein Antineutrino ( eν ) emittiertwerden. Die Umkehrreaktion (inverse Reaktion) ist somit auch erlaubt, wenn genugEnergie zugeführt wird:

nep e →++ −+ ν

Die Schwellenenergie für diese Reaktion liegt bei 0,7 MeV. Es ist aberpraktisch ausgeschlossen, eine solche Reaktion mit freien Teilchenauszulösen, da drei Teilchen mit extrem genau abgestimmten Energien undImpulsen zusammenstoßen müssen, um als Endprodukt ein Neutronherzustellen.

In der Literatur wird gelegentlich und etwas fälschlich die folgende Reaktionals „inverser β-Zerfall“ bezeichnet:

enep ν+→+ −+

Mit dieser Reaktion kann zwar ein Neutron (n) synthetisiert werden, es istaber nicht die Umkehrung des Neutronenzerfalls.

Per Definiton – mit „inverser β--Zerfall“ soll hier gemeint sein:

nep e →++ −+ ν

Im folgenden Text wird untersucht, wie weiche Antineutrinos im Bereich vonetwa 0,05 MeV bis einige MeV mit Materie reagieren können, zum Beispielindem sie einen inversen β--Zerfall auslösen.



4. Die 3 Alpha Reaktion als Vorlage

Die 3α-Reaktion ist eine Kernfusion von drei Helium-Kernen zu einemKohlenstoffkern in Sternen. Ich beschreibe sie hier, weil sie als Vorlage zurModellierung von Neutrino-Reaktionen mit drei einlaufenden Teilchen dienenkönnte.

α-Teilchen sind Helium-4 Atomkerne. In der Astrophysik geht man davonaus, dass die Sonne durch eine Reaktion mit drei einlaufenden α - Teilchendas C-12-Isotop des Kohlenstoffs fusioniert.

α + α + α → C-12

Diese 3-Teilchen-Reaktion („Drei-Alpha-Prozess“) wurde zunächst fürpraktisch unmöglich gehalten, weil sie als zu extrem unwahrscheinlich galt.Mittlerweile wird angenommen, dass diese Reaktion der wichtigste Lieferantfür Kohlenstoffs im Universum ist. In der populärwissenschaftlichen Literaturwird das als kleines Wunder vermarktet, weil erstens ohne diese Reaktionder Kohlenstoff als Baustein des Lebens fehlen würde, und weil zweitensohne den Kohlenstoff einige andere Reaktionen in der Sonne nicht ablaufenkönnten („CNO-Zyklus“). Die 3α-Reaktion führt über Be-8, ein instabiles undsehr kurzlebiges Beryllium - Isotop. Dabei muss zunächst Energie zugeführtwerden. Die Reaktion wird deshalb als „Überwindung der Beryllium-Barriere“bezeichnet – erstens ist Energie erforderlich, und zweitens muss das Be-8 inseiner kurzen Lebenszeit von einem α-Teilchen der richtigen Energiegetroffen werden.

Kurz gesagt läuft die Reaktion in drei Schritten so:

α + α → Be-8 endotherm, kurzlebiger Zwischenzustand

Be-8 + α → C-12∗ Resonanz

C-12∗ → C-12 + γ Gamma-Zerfall der Resonanz Dabei ist die Lebensdauer der C12∗-Resonanz noch wesentlicher kürzer alsdie des Be-8 Zwischenzustands. Genau diese Kurzlebigkeit führt dazu, dassdie Resonanz energetisch sehr unscharf ist, nach der quantenmechanischenUnschärfebeziehung zwischen Zeit und Energie. (Diese Unschärfebeziehungist das Energie – Zeit – Pendant zur bekannteren Unschärferelation zwischenOrt und Impuls.)

∆E ∗ ∆t ≥ h / (2π)

oder, mit ∆t auf der anderen Seite:

∆E ≥ h / (2π∗∆t)

Dabei ist h = 4,1357 * 10-15 eV das Planck'sche Wirkungsquantum.



Wenn für ∆t die sehr kurze Lebensdauer der erzeugten Resonanz eingesetztwird, wie das die subatomaren Techniker so machen, dann kann die neuerzeugte Resonanz über eine große „Energiebreite“ existieren (aber nur fürdie extrem kurze Zeit). Diese Unschärfe wiederum erlaubt den einlaufendenTeilchen eine stark erhöhte Wahrscheinlichkeit, sich zu einer C-12*-Resonanz zu verbinden, weil „die Energien nicht so genau stimmen müssen“.Ein „energetisch unscharfes“ Endprodukt kann mit größererWahrscheinlichkeit produziert werden als ein „energetisch scharfer“ Zustand.

Die „energetisch unscharfe“ Resonanz C-12* emittiert faktisch sofort einGamma und bildet ein stabiles C-12. So gibt es Kohlenstoff im Universum.

Charakteristisch für den 3α Prozess ist: Zwei der einlaufenden Teilchenbefinden sich in einem quasi gebundenen Zustand (der kurzlebige Be-8Atomkern), und als Produkt der Reaktion wird eine energetisch unscharfeResonanz (C-12*) erzeugt.

Eine 3-Teilchen-Reaktion ist also nicht immer völlig ausgeschlossen. Diese3α-Reaktion dient jetzt als Vorlage, also als unser Strickmuster für die Suchevon 3-Teilchen-Reaktionen mit Neutrinos.



5. Reaktionen von Antineutrinos mit Atomen?

Inverser β-Zerfall gilt als extrem unwahrscheinlich (faktisch unmöglich):

neplteingestrahe →++ −+)(ν

Beim inversen β--Zerfall fällt auf, dass zwei der drei an der Reaktionbeteiligten Teilchen bereits im neutralen Atom vorhanden sind: Die Protonensind im Kern und Elektronen umkreisen den Kern in der Elektronenhülle.

nHülleeKernplteingestrahe →++ −+)()()(ν

also

nfatomWasserstoflteingestrahe →+)(ν

Theoretisch könnte also ein Wasserstoffatom, das aus Proton und Elektronbesteht, durch ein Antineutrino mit ausreichend Energie in ein Neutronverwandelt werden.

Im Vergleich zur 3α-Reaktion wird hier zunächst nach einem gebundenZwischenzustand aus Proton und Elektron gesucht. Der ist natürlich nichtsweiter als das Wasserstoffatom selbst. Proton und Elektron haben zudemeine Wahrscheinlichkeit dafür, dass sie sich räumlich an der gleichen Stellebefinden: Das Proton im Kern hat eine räumliche Ausdehnung. Die ist zwarsehr klein, wird aber immerhin von der Orbitalwolke des Elektrons überdeckt.Kurz gesagt, es gibt eine kleine Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich dasElektron gewissermaßen im Proton befindet.

Im zweiten Schritt beim Vergleich zur 3α-Reaktion wird nach Resonanzen,also unscharfen Energiezuständen, des Endprodukts gesucht. Hier sind dasdie angeregten Zustände eines Neutrons. Und die gibt es zwar, aber sieliegen energetisch viel zu hoch für weiche Neutrinos.

Das Wasserstoffatom ist also nicht unbedingt der ideale Ort, um nachinversen β--Zerfällen zu suchen. Deshalb würde man auf der Suche nachReaktionen des obigen Typs bei schweren Atomen starten. Die räumlicheAusdehnung der Orbitalwolken der innersten Elektronen wird durch denFaktor (1/Z2) bestimmt, wobei Z die Ordnungszahl des Atoms ist. Die innerenElektronen sind bei hoher Ordnungszahl Z viel enger an den Kern gebundenund halten sich entsprechend häufiger im Kern auf. Gesucht werdenAnhaltspunkte für eine Reaktion eines einfallenden Antineutrinos mit einem(elektrisch neutralen) schweren Atom X, wobei als Produkt ein isobares(gleich schweres) Atom Y mit einer um 1 reduzierten Ordnungszahl entsteht:

YXe →+ν Y isobar zu X mit um 1 reduzierter Ordnungszahl



Das Reaktionsprodukt Y wäre ein neutrales Atom, und möglicherweise ineinem angeregten Zustand, der schnell zerfällt (Vergleichbar mit der

Resonanz bei der 3α-Reaktion). X und Y sind Isobare, d.h. gleich schwer.Sie unterscheiden sich dadurch, dass der ursprüngliche Kern X ein Elektronaus der Hülle eingefangen und dabei ein Proton in ein Neutron verwandelt

hat. Beipiel: SmEue151151 →+ν

Man könnte zusätzlich die Ordnungszahl notieren, aber sie ist schon imNamen des chemischen Elementes enthalten.

Die Schwellenenergie für solche Reaktionen ist abhängig vom Element X.Genauer gesagt: Die Schwellenenergie ist abhängig von denEnergieverhältnissen in Kern und Atomhülle der Elemente X und Y, die als"Massendefekte" aus Tabellen entnommen werden können.

Der Einfang von Hüllen-Elektronen durch den Atomkern wird im Labor beianderen Reaktionen beobachtet – beim sogenannten „Elektronen-Einfang“instabiler Kerne. Im Gegensatz zu den Reaktionen, nach denen hier gesuchtwird, wird dabei ein Neutrino abgestrahlt und kein Antineutrino eingestrahlt.In beiden Fällen wird das Neutrino bzw. Antineutrino nicht beobachtet, weiles keinen Detektor zum Nachweis einzelner Neutrinos gibt.

Neutronen und Protonen im Atomkern sind in die energetische Struktur desjeweiligen Atoms eingebettet. Da sich diese Verhältnisse im Kern bei derUmwandlung eines Protons in ein Neutron ändern, kann die Situation nichtmit „reinen“ Reaktion zwischen einfallenden Antineutrinos und einzelnenNukleonen beurteilt werden. Bei einigen schweren Elementen kann dieSchwellenenergie zur Auslösung der Reaktion YX →+ν sehr niedrig sein(ca. 0,01 MeV), so dass die Reaktion von fast allen Antineutrinos ausgelöstwerden könnte, die von einem KKW abgestrahlt werden.

Trivia

Theoretisch können alle Isotope aus Neutronen und Neutrinos aufgebautwerden, etwa nach dieser Methode mit A Neutronen und B Neutrinos (B<=A)

IsotopBAnA

Be →+ ν

Umgekehrt kann jedes Isotop durch Antineutrinos in eine Neutronenwolke aufgelöst werden:

AnBIsotop e

A

B →+ ν



5.1 Bemerkungen

In den nächsten Abschnitten werden Reaktionen von Reaktor-Neutrinos mitschweren Isotopen als Beispiel diskutiert. Dabei ist keinesfalls sicher, dasses sich um die besten Beispiele handelt, sondern sie wurden nach rechtflüchtiger Durchsicht von nuklearen Datentabellen zusammengestellt alsBeispiel, mit welchem Muster nach Reaktionen gesucht werden kann.

Bemerkungen zu Isotopenmassen

Die Berechnungen zu Energieverhältnissen sind über Isotopenmassen ausgeführt. DieEnergieverhältnisse lassen sich auch aus den sogenannten Massendefekten der Isotopeberechnen, was ein bisschen umständlicher ist. In der Literatur wird der Ausdruck„Massendefekt“, englisch „mass deficit“, nicht einheitlich verwendet.

Die Daten stammen von: http://www.nndc.bnl.gov/masses/mass.mas03 für Massen,atomare Masseneinheit u und Konstanten aus http://pdg.lbl.gov/2002/consrpp.pdf .

Die atomare Massen-Maßeinheit u = 931.494013 MeV/c2 ist bezogen auf 1/12 der Massedes C-12 Isotops, und kann nach E=m*c2 in dieser Einheit notiert werden.

Bemerkungen zur Notation:

Der Klassiker unter den Reaktionen, mit dem zuerst die solaren Neutrinos nachgewiesenwurde, sieht so aus:

ArCle

3737 →+ν (richtig).

In dieser Schreibweise sind immer neutrale Atome gemeint, nicht nur die Kerne. ZumBeispiel ist das folgende nicht korrekt:

−+→+ eArCle

3737ν (falsch, obschon es so im Gerthsen steht)

Diese Gleichung verletzt die Erhaltung von Ladung und Leptonenzahl. Unsauber ist auch dieGleichung:

−+ +→+ eArCle

3737ν (etwas unsauber)

Die Kennzeichnung des Argon-Ions mit „+“ bezieht sich nur auf die elektrische Ladung. Dieist für die Reaktion nicht so wichtig. Ich schlage diese Schreibweise vor, wenn das Zielionisiert wird:

−+ +→→+ eArArCle

373737)*(ν

Dabei bedeutet die Schreibweise mit dem Stern „*“ ein angeregtes Atom. Ein β—Zerfallbeispielsweise für Pm-146 sieht dann so aus:

ee eNdNdPm νν ++→+→ −+146146146*)(

Das Pm-146 kann auch per Elektroneneinfang zerfallen. Die Reaktion sieht jetzt aus wieeinfach ein zweiter Zerfallskanal des angeregten Nd-146*:

ee NdNdPm νγν ++→+→ 146146146*)(



5.2 Klassischer inverser β-Zerfall

Das Atom Eu-151 ist stabil mit einer Masse von

mEu-151 = 150,919850161 * u

Das Atom Sm-151 ist ein instabiler β--Strahler mit einer Zerfallszeit von 93Jahren und mit einer Masse von

mSm-151 = 150,919932409 * u.

Die Energie, die einem Eu-151 als Masse zugeführt werden muss, um dasschwerere Sm-151 zu erzeugen, ist die Differenz ihrer Massen. DieMassendifferenz zwischen den beiden Atomen beträgt

∆E = ( mSm-151 – mEu-151 ) * c2

Und als Zahlenwert ergibt sich (was ist das für eine wahnsinnigeMessgenauigkeit?):

(150,919932409 -150,919850161) * u * c2 = 0,000082248*u * c2

= 0,000082248 * 931,494013 MeV = 0,0766135196 MeV

d.h. die Masse, die einem Eu-151 Atom als Energie zugeführt werden muss,um die Masse eines Sm-151 Atoms zu erhalten (Schwellenenergie), beträgtetwa ~ 76 keV.

Die Reaktion zwischen Eu-151 und Antineutrinos zu einem Sm-151 istmöglich, wenn das Neutrino eine Energie von mindestens 76 KeV trägt.

SmkeVEue151151

76 →++ν

Wie man durch Vergleich mit dem Spektrum vom Anfang des Papierserkennt, tragen fast alle Antineutrinos aus einem Reaktor genug Energie, umdiese Reaktion auszulösen.

Es folgt die Suche nach der Resonanz. Im Vergleich mit der Vorlage, alsoder C-12* Resonanz der 3α-Reaktion, würde die Reaktion SmEue

151151 →+νeinen angeregten Sm-151* Kern produzieren müssen, um die Produktionder Reaktion deutlich zu erhöhen. Im einfachsten Fall könnte das ein aus derGamma-Spektroskopie bekanntes Level von Sm-151 sein. Dieser Sm-151*Kern würde fast sofort in ein Sm-151 übergehen, wobei ein Gamma odereine Gamma-Kaskade emittiert wird. Um das Energieniveau innerhalb deserzeugten Kerns Sm-151 zu erreichen, müsste der Reaktion zusätzlicheEnergie ∆ER zugeführt werden. Bei Sm-151 könnten das Energien von einpaar keV bis einige MeV sein, entsprechend den Gamma-Niveaus des Kerns



von Sm-151. Der Sm-151 Kern im Grundzustand würde schließlich als β--Strahler mit einer Lebensdauer von 93 Jahren wieder in ein Eu-151 zerfallen.

Der gesamte Reaktionsverlauf könnte dann so geschrieben werden:

)(

151151151)76( *

RR EEEkeVEe SmSmEu ∆=∆+= +→→+ γν

eeEuSm ν++→ −+151151

Es gibt die Möglichkeit, das neben den bekannten Gamma-Niveaus desSm-151 noch unbekannte angeregte Zustände oder Zustandsarten desSm-151 bestehen. Es hat noch niemand versucht, mit Antineutrinosangeregte Zustände bei Sm-151 zu erzeugen.

Die beschriebene Reaktion ist insoweit eine hypothetische.



5.3 Induzierter α-Zerfall

Diese hypothetische Reaktion basiert auf der Idee, dass nach dem semi-empirischen Modellen zur Bindungsenergie von Atomkernen (Bethe-Weiszäcker Formel) an sich alle schweren Atomkerne mit einer Massenzahlgrößer als etwa 165 eigentlich instabil sind, weil sie als α-Strahler zerfallenkönnen. Sie zerfallen deswegen nicht, so sagt die Theorie, weil sich die α-Teilchen in einem Potentialtopf befinden, dessen äußeren Wall sie für denZerfall quantenmechanisch durchtunneln müssten. Dieser Vorgang ist beifaktisch stabilen Isotopen zu selten, so dass man ihn (bisher) nichtbeobachten konnte. Die Idee ist nun, dass ein einlaufendes Neutrino denKern über den Potentialwall quasi hinwegheben kann, indem es im Kerneinen inversen β-Zerfall verursacht.

Ich untersuche als Beispiel wieder das Eu-151. (Man könnte natürlich jedenanderen schweren Kern genauso betrachten.) Es würde in der Reaktionzunächst ein angeregter Sm-151* Kern produziert, der nicht wie ein normalerSm-151 Kern als β--Strahler zerfällt, sondern als α-Strahler.

ENdSmEue ∆++→→+ αν 147*151151

( eePmNd ν++→ −+147147 Lebensdauer 11 Tage)

In dieser Reaktion würde das Eu-151 ähnlich wie ein α-Strahler aussehen.

Die gesamte Reaktion ist außerdem exotherm, d.h. es würde Energie ∆Edabei frei. Mit den Massen der Isotope ergibt sich

mEu-151 = 150,919850161 * u und mNd-147 = 146,916100441 * u sowie mα=He-4 = 4,00260325415 * u ergibt∆mReaktion = mEu-151 - mNd-147 - mα=He-4 Massenverlust∆mReaktion = 0,00114646585 * u∆E = 1,06792608 MeV exotherm

Die Energieverhältnisse der gesamtenReaktion lassen sich wie im Bildrechts darstellen. Ein einlaufendesReaktor-Neutrino führt dem Eu-151eine Initialenergie von 76 keV zu undtransformiert es in einen kurzlebigenZustand Sm-151*. Dieser Zustandzerfällt unter Aussendung von α-Strahlung von 1144 keV. Insgesamt istdie Reaktion exotherm mit 1068 keV.

Tatsächlich wurde kürzlich der α-Zerfall von Eu-151 gemessen, mit einerLebensdauer von um 1019 Jahren. Wohl gemerkt war das ein „echter“ α-Zerfall. Wenn das Alter des Universums auf 1010 (d.h. 10 Milliarden) Jahre



geschätzt wird, dann ist die gemessene Lebensdauer des Eu-151 etwa eineMilliarde mal so lang. Es sind während des Experimentes – das ich nichtgenau kenne - vermutlich nur einige Atome des Eu-151 zerfallen. Es bestehtauch die Chance, dass dort im Labor zum ersten Mal der induzierte α-Zerfallvon Eu-151 durch Reaktor-Neutrinos gemessen wurde.

Die Wahrscheinlichkeit der gesamten hypothetischen Reaktion zwischenEu-151 und einem Neutrino hängt davon ab, ob es eine entsprechendeResonanz Sm-151* gibt, und wie diese dann zerfällt.

Es gibt auf jeden Fall – theoretisch - Reaktionen des klassischen Typs

SmkeVEue151151

78 →++ν

Die Frage ist nur, wie oft sie vorkommen.



5.4 Kernspaltung durch inversen β-Zerfall

Theoretisch ist auch die Spaltung schwerer Kerne durch Neutrinos denkbar.Dafür gibt es zwei verschiedene Wege: Einmal über den inversenNeutronenzerfall, und zweitens über eine so genannte „Reaktion mitneutralem Strom“. Die zweite Möglichkeit werde ich später erläutern. Für eineKernspaltung durch inversen Neutronenzerfall würde man nach Reaktionendes folgenden Typs suchen:

?)(21

*NeutronenPPRSe ++→→+ν

Dabei hat die Resonanz R* eine um 1verminderte Ordnungszahl, verglichenmit dem schweren Element S, aberansonsten die gleiche AnzahlNukleonen. Es handelt sich um einenangeregten, neutronenreicheren Kern.P1 und P2 sowie eventuell einigeNeutronen sind die Produkte derSpaltung, ganz wie die klassischeU-235 Spaltung rechts.

Das Beispiel zur hypothetischen Kernspaltung ist Bismut Bi-209, mit Pb-209,(normalerweise ein β-Strahler), als kurzlebiger Zwischenzustand, die zweiSpaltungsprodukte sollen Gallium Ga-71 und Iod I-138 sein, und Massender Isotope sind:

Bi-209 = 208,980398734*uPb-209 = 208,981090120*uGa-71 = 70,924701349 *uI-138 = 137,922349591*u

*644209209

PbkeVBie →++ν

keVIGaPb 124857*13871209 ++→

Insgesamt

keVIGakeVBie 12485764413871209 ++→++ν

Die Reaktion liefert einen kräftigen Energiegewinn. Ich sollte sie mirpatentieren lassen. Hier ist die gleiche Situation, wie beim induzierten α-Strahler. Die Reaktion des Neutrinos mit Bi-209 zu Pb-209 ist von derEnergie her möglich, aber wie wahrscheinlich ist sie?

Bei einer induzierten Kernspaltung oder einem induzierten α-Zerfall würdemehr Energie frei, als das Neutrino einbrachte. Wenn also ein typischesKKW etwa 100 MW an Neutrino-Leistung in die Erde einstrahlt, dann könntedas durchaus eine stärkere radioaktive Energiefreisetzung im Bodenauslösen.



5.5 Inelastische Neutrinostreuung

Hier stand in der ersten Version zwareine richtige Idee, aber ansonstenUnsinn (s. Bild rechts). Die Grundideestammt aus dem „doppeltenElektronen-Einfang“. Diese Reaktionbasiert darauf, dass für mancheIsotope der einfache Elektronen-Einfang energetisch nicht möglich ist,der doppelte Einfang von Elektronenaber zu einer Energiefreisetzungführen würde. Außerdem wirderwartet, dass dabei zwei Neutrinosabgestrahlt werden.

(Es wird experimentell auch der sogenannte „neutrinolose“ doppelteElektroneneinfang gesucht, aber darauf wird hier nicht eingegangen.)

Als Beispiel dient ein Calcium-Isotop, das Ca-40. Dieses Isotop isttheoretisch instabil gegen doppelten Elektronen-Einfang. Praktisch kommtdiese Reaktion dagegen nicht vor, die experimentelle Grenze liegt bei einerLebensdauer größer als 3*1021 Jahre.

194keV24040 ++→ eArCa ν Lebensdauer > 3*1021 Jahre

Das ist insgesamt ein einigermaßen glücklicher Umstand, weil dieseReaktion an die Knochen gehen würde: 97% des natürlichen Calciumsbestehen aus Ca-40.

Auf die Gefahr hin, dass man sich zu viel vorstellt, stelle man sich denProzess bitte zweistufig vor, mit einem extrem kurzlebigen, gewissermaßenunterernährten Zwischenzustand Kalium K-40*. „Unterernährt“ deswegen,weil Ca-40 nicht genug Energie hat, um nach K-40 zu zerfallen. Es hat abertheoretisch genug Energie, um im Doppelschritt nach Ar-40 zu zerfallen. Daswird praktisch nicht beobachtet.

Neutrinos aus einem Reaktor könnten die Situation ändern:

194keV)(*)1311(404040 +=++→→+≥ νν νν EEArKCakeVE ee

Die Formel ist so zu lesen: Reaktorneutrinos mit einer Energie von mehr als1311 keV können das Ca-40 direkt über die K-40 „Barriere“ hinwegheben.Als Ergebnis der Reaktion entsteht Ar-40, die Energie des Neutrinos plus 194keV wird freigesetzt. Die gesamte Reaktion ist exotherm mit 194 keV.



Es gibt mehr als 30 stabile Isotope, für die ein doppelter Elektronen-Einfangmöglich ist. Das leichteste ist Ar-36 mit Übergang Cl-36 zu S-36.Ein Beispiel für ein schweres Isotop, das diese Reaktion eingehen könnte, istdas Er-162

1844keV)(*)295(162162162 +=+→→+≥ νν νν EEDyHoErkeVE ee

Reaktorneutrinos mit einer Energie von mehr als 295 keV können Er-162 inDy-162 umwandeln. Die Energie des Neutrinos plus 1844 keV wirdfreigesetzt. Die gesamte Reaktion ist exotherm mit 1844 keV.

Die obige Reaktion ist einezweistufige Reaktion. Es gibt aber ansich keinen Grund, warum eineeinstufige Reaktion unmöglich seinsollte. Formal könnte sie alsAustausch eines einzelnen Z0-Bosonszwischen dem einfallenden Neutrinound dem Atom Er-162 dargestelltwerden, wobei ein Atom Dy-162hergestellt wird:

Als Reaktionsformel geschrieben sieht diese einstufige Reaktion so aus:

1844keV)(162162 +=∆+→+ EDyEr ee νν

Das bedeutet: Reaktorneutrinos beliebiger Energie können Er-162 in Dy-162umwandeln. Dabei wird 1844 keV Energie frei.

Fazit

Das Zwischenergebnis ist somit: Reaktion zwischen Antineutrinos undMaterie

− sind erstens als Umkehrreaktion des Neutronenzerfalls theoretischmöglich,

− können zweitens für bestimmte schwere Atome durch Antineutrinos mitgeringer Energie ausgelöst werden,

− die gesamte Reaktion kann exotherm sein,

− und bei resonanter Reaktion steigt die Wahrscheinlichkeit.

− In der Gegenwart von Reaktorneutrinos beliebiger Energie werdenIsotope, die einen doppelten Elektroneneinfang ausführen können, latentinstabil.



6. Keine Messungen und keine Theorie

Die Wechselwirkung energiearmer Antineutrinos aus einem Reaktor mit denverschiedenen Elementen, vor allen Dingen schweren Atomen, wurde bishernicht gemessen. Bisherige Messungen verwenden die Nachweisreaktionν e p n e+ → + + mit Wasserstoff als Ziel und einer zu hohenSchwellenenergie. Dieser Ansatz ist nicht geeignet, um die Umweltbelastungvon KKWs zu beurteilen.

Das Endprodukt der Reaktion eines Antineutrinos mit einem neutralen Atommuss ein instabiles Atom in einem unscharfen Energiezustand sein(„Resonanz“). Durch diese Unschärfe wird eine Reaktion wahrscheinlicher.

Es gibt eine ganze Reihe semi-imperischer Kernmodelle. Jedes dieserModelle ist nur für einen bestimmten nuklearen Phänomenbereichanwendbar. Es gibt keine konsistente Theorie, die alle nuklearenPhänomene umfasst. Durchgängige Theorien des Atomkerns (oder besser:der Ganzheit aus Kern und Hülle) als solide Basis für Berechnungen gibt esnicht.

Eine neuere Entwicklung ist das „Standard-Modell der Elementarteilchen“ mitder Einteilung der Teilchen in „Leptonen“ und „Quarks“.

In diesem Modell wird der Zerfalleines Neutrons in Proton, Elektronund Antineutrino als Reaktion derbeteiligten elementaren Fermionenbeschrieben, wie auf dem Diagramrechts dargestellt (Bild ausde.wikipedia.org).

Eine „Kraft“, also eine Reaktion zwischen den Teilchen, findet durch dieÜbertragung von Bosonen statt (hier W-). Es ist leider so, dass es mit denMechanismen des Standard-Modells nicht möglich ist, das Verhalten derbetroffenen Quarks zu berechnen, die ihrerseits in einen Quark-Verbund imNeutron oder Proton eingebettet sind. Insofern ist es wenig hilfreich, wenndie Reaktion zwischen den Leptonen e- und eν einerseits und den isolierten

d und u Quarks andererseits klar verstanden ist: Nicht verstanden ist, wiedas ganze Neutron reagiert.

Noch komplizierter wird das Bild,wenn beim β--Zerfall das Neutronin einen großen Kern ausNukleonen eingebunden ist, wie imBild rechts angedeutet. LautStandard-Modell besteht der Kernaus Nukleonen, die durch Pionenzusammengehalten werden, unddiese dann wiederum aus Quarks,alles fest mit Gluonen verklebt. Peter H Rassmann, Paul Gossen Str. 34, 91052 Erlangen 05.05.08Tel. +49 172 442 3637 e-mail: [email protected] WiP

Dieses Konglomerat, an sich schon unberechenbar, wird regelmäßig vonden Elektronen der Hülle durchdrungen (Das Bild stammt auswww.wikipedia.org. Die Elektronen, die den Kern durchdringen, sind nicht imBild gezeigt. Das Bild zeigt aber eine Menge erstaunlicher Details desAtomkerns. Ich gratuliere dem Künstler, sehe aber die Gefahr, dass beimnaiven Leser der Eindruck eines fachlich tiefen Verständnisses der Materieinduziert wird, der unberechtigt ist).

Laut Standard-Modell der Elementarteilchen wird die vergleichsweise kurzeReichweite der schwachen Wechselwirkung durch die große Masse derAustauschbosonen W und Z erklärt. Die Energien einzelner Teilchen imAtom sind bei weitem nicht groß genug, um ein W oder Z direkt nach E=m*c2

zu erzeugen, und so kann es in diesem Modell nur über die bereits erwähntequantenmechanische Energie-Unschärfe überhaupt zu Reaktionen kommen.Danach kann die sehr hohe Energie zur Herstellung eines W oder Z vomVakuum „ausgeborgt“ werden, aber nur für eine sehr kurze Zeit. Da das Woder Z sich höchstens mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann, kann es nureine entsprechend kurze Strecke wandern.

Einige Elemente sind sehr langlebig und zerfallen als α-Strahler, könnenaber trotzdem eine sogenannte „spontane Spaltung“ erfahren, zum BeispielU-238. Solche Elemente sind Kandidaten für eine weitere mögliche Neutrino-Reaktion über einen sogenannten „neutralen Strom“. Dabei verschwindet dasNeutrino nicht, sondern überträgt nur Energie und Impuls auf den Kern. Die Reaktion läuft zwischen demAntineutrino und einem Nukleon,vermittelt durch ein Z0. (Es ist alsokeine Reaktion mit 3 Teilchen, ander auch ein Elektron der Hüllebeteiligt sein müsste.) DasNeutrino bleibt unverändert.

Nach der (hypothetischen) Reaktion befindet sich der Kern in einemangeregten Zustand, der leichter zerfällt.. Nach außen sichtbar wird dabei de

facto die Wahrscheinlichkeit für den α-Zerfall oder die spontane Spaltungvergrößert, also die Lebensdauer des Isotops verkürzt (α-Zerfall ist ja eineeinfache Form der „Kernspaltung“).

Dies ist das Schema für die induzierte Spaltung über neutralen Strom:

?)()(21

*NeutronenPPSS eee +++→+→+ ννν

Dabei haben P1 und P2 als Spaltprodukte zusammen etwas weniger Masseals das ursprüngliche schwere Isotop S.

Analog gilt für den induzierten α-Zerfall über neutralen Strom:

αννν ++→+→+ 1

*)( PSS eee

Peter H Rassmann, Paul Gossen Str. 34, 91052 Erlangen Seite 21 aus 26Tel. +49 172 442 3637 e-mail: [email protected]

7. Solare Neutrinos

Die solaren Neutrinos, von denen es angeblich jede Menge gibt, könnentheoretisch auch Reaktionen über „neutralen Strom“ auslösen, d.h. siekönnten einen Kernzerfall wie oben induzieren. Ein Material, das über dieseReaktion (vergleichsweise) stark reagiert, ist auf der Erde längst zerstrahlt.Daraus folgt, dass irdisches Material gegen solare Neutrinos einigermaßenresistent sein muss. Oder nicht? Reaktor-Neutrinos sind die Antiteilchen vonsolaren Neutrinos. Welche Reaktionen können sie für stabile Atomeauslösen, die für solare Neutrinos nicht entsprechend möglich sind?

Das nächste Bild zeigt das theoretische Spektrum der solaren Neutrinos, dasaus so genannten SSMs berechnet wird (Standard Sonnen Modell).

Zur Zeit laufen erhebliche Anstrengungen in der experimentellen Physik, umdieses Spektrum praktisch zu messen, und in der theoretischen Physik, umGründe zu finden, warum es bisher nicht gemessen werden konnte. (DiesesSpektrum der solaren Neutrinos findet sich im Internet häufig identisch alsDiagramm (z.B. http://www.sns.ias.edu/~jnb/), aber manchmal ohne Angabeder Einheit des Flusses, was gelegentlich zu falschen Interpretationen führt.Das Spektrum setzt sich aus kontinuierlichen Anteilen zusammen, die alsNeutrinos pro Sekunde und pro cm2 im Energiefenster [E, E+1 MeV] durchdie Fläche unter der Kurve repräsentiert werden, und aus Linienanteilen, diejeweils als Länge der Linie eingetragen sind).

Das Spektrum der solaren Neutrinos wird von verschiedenen Kernreaktionenin der Sonne erzeugt, deren Kennung jeweils im Diagramm eingetragen ist.Die einzelnen Reaktionen können hier nicht weiter erläutert werden (vergl. imInternet.http://www.physics.upenn.edu/neutrino/sun-nu/node3.html o.Ä.)


Durch Integration via Augenschein des obigen Spektrums ergeben sich etwadie folgenden Neutrino-Flüsse pro Sekunde und pro cm2 :

Neutrino-Fluss von der Sonne (1/s/cm2):Gesamtfluss: ~ 10 11 davon: ~ 10 10 mit E > 0,5 MeVdavon: ~ 10 8 mit E > 1,0 MeVdavon: ~ 10 6 mit 1,8 MeV < E < etwa 20 MeV

Zum Vergleich: Antineutrino-Fluss in

1 km Entfernung von KKW (1/s/cm2):Gesamtfluss: ~ 10 10 mit E = 1 MeV (durschn.)davon 3%: ~ 3 * 10 8 mit E > 1,8 MeV



Beim Vergleich dieser Zahlen sollte man sich stets vor Augen halten, dassdie Antineutrinos aus einem Reaktor andere Reaktionen auslösen können alsdie solaren Neutrinos von der Sonne. Der direkte Vergleich nur des Flussesist nicht sehr aussagekräftig.

Das folgende Beispiel soll zeigen, wohin es führt, wenn man die solarenNeutrinos wirklich ernst nimmt. Dann werden die solaren Neutrinosmöglicherweise laufend beobachtet, und bisher anders erklärt.


Beispiel:

Bisher wird die fortlaufende Entstehung des Isotops C-14, bekannt aus der„Radiokarbon -Altersbestimmung“, durch eine Reaktion in der oberenAtmosphäre erklärt, die von thermischen Neutronen ausgelöst werden soll:

1n + 14N → 14C + 1H

Das C-14 gibt es tatsächlich. Es muss erklärt werden, wo es herkommt.Finden Sie die thermalen Neutronen in der oberen Atmsophäre plausibel?Ich schlage diese Reaktion mit solaren Neutrinos vor:

αννν ++→+→++ eee COMeVO14*1818

)(226.6

Das stabile Sauerstoffisotop O-18 existiert zu 0,04 % in der Atmosphäre (0,2% von Sauerstoff). Die Reaktion kann durch einen neutralen Strom voneinem solaren Neutrino ausgelost werden. Und die Existenz eines irgendwieangeregten Zwischenzustandes (νe +18O)* würde man fordern, um dietheoretischen Voraussagen an die tatsächliche C-14 Produktionsrateanzupassen. Es würde auch die Herkunft von Helium in der Atmosphäreerklärt werden, durch die α's, die ja Heliumkerne sind.

Der Vorschlag für die Reaktion hateine gewisse Berechtigung dadurch,dass eine Reaktion über neutralenStrom ähnlich aussehen muss wieeine Reaktion über ein γ-Quant.Darum wird das Z-Boson in derLiteratur gelegentlich als „schweresLicht“ bezeichnet.

Aus der Masse der Luftsäule über der Erdoberfläche (104 kg / m²), demMassenanteil Sauerstoff (21%) darin, und der natürlichen Häufigkeit desIsotops O-18 (0,2%) am gesamten Sauerstoff könnte man jetzt berechnen,mit Hilfe der Flussrate solarer Neutrinos mit Energien größer ~ 6,3 MeV, wiegroß der absolute Wirkungsquerschnitt für die obige Reaktion sein müsste,um wesentlich zum C-14 Gehalt der Atmosphäre beizutragen. Das führe ichhier nicht aus, schon weil der Sauerstoff im Wasser der Weltmeereberücksichtigt werden müsste. In den Weltmeeren ist wesentlich mehrSauerstoff enthalten als in der Atmosphäre, so dass die C-14 Produktion dortnoch wesentlich größer wäre (Faktor 1000). Der Vorschlag würde erklärenkönnen, warum in abgelagerten Kohlenstoff aus abgestorbenen Pflanzenkein neues C-14 entsteht. Ein angeregter Zwischenzustand (νe +18O)*, wennes ihn gibt, würde allerdings in den meisten Fällen in das energetischgünstigere 18O zurückfallen.

γννν +++→+→++ OOMeVO eee

18*1818)(226.6


Eine solche Reaktion würde zwar nichts zum C-14 Gehalt der Atmosphärebeitragen, aber sie setzt Gamma-Strahlung frei (Sonnenbrand ;-).

Nach der Klassifizierung in „verschieden starke Wechselwirkungen“ indiesem Beispiel ist die Abspaltung eines α-Teilchens zu C-14 eine „starke“Reaktion, der Übergang unter Aussendung eines Gamma zurück zu O-18„nur“ eine elektromagnetische. Vielleicht würde die O-18-Resonanz zuschnell, weil stark, tatsächlich zu C-14 zerfallen? Dies ist ein (zunächst wenigdurchdachtes) Beispiel dafür, wo, und wie, nach Auswirkungen von solarenNeutrinos gesucht werden könnte: Die solaren Neutrinos sollen überall sein,deswegen gehört alles auf den Prüfstand.

Etwas energetisch günstiger sieht die Reaktion im zweiten Beispiel aus.

keVOsPtPt eee 808)(192*196196 +++→+→+ αννν

Die Reaktion läuft exotherm. Für die Massen der Atome ergibt sich( Masse(Pt-196) – Masse(Os-192) – Masse(He-4) ) = 808 keV/c2.

195.964951521*u - 191.961480690*u - 4.00260325415*u = 0.00086757685*u entspricht 808 keV

Für die oben genannten Reaktionen wäre eine zusätzlicheAktivierungsenergie notwendig, um das Energieniveau der kurzlebigenResonanz des Zwischenproduktes zu erreichen – wenn es eine solcheResonanz gibt. Wenn diese Energie bei ein paar MeV liegt, dann würde dasPt-196 fast aussehen wie ein α-Strahler.

Der sporadische α-Zerfall schwerer Atome könnte durch solare Neutrinoserklärt werden.


8. Vergleich mit anderer StrahlungAbsorptionskoeffizienten sind ein Maß dafür sind, wie stark eine Strahlungmit der Materie reagiert. Wie bei allen anderen Strahlungsarten bekannt ist,können sich Absorptionskoeffizienten im unteren Energiebereich (von 0 – 1,8MeV) um 10 Zehnerpotenzen unterscheiden – je nachdem, wie groß dieEnergie genau ist, und welches Zielmaterial verwendet wird. Für Neutrinosgibt es hier keine Erfahrungen. Warum sollte es anders sein? Warum nicht?

Zum Beispiele ist gerade in der Kerntechnik bekannt, dass Neutronen mithöherer Energie nicht so viele Kernspaltungen auslösen wie thermischeNeutronen. Es gibt Elemente wie Bor, die Neutronen sehr viel stärkerabsorbieren als andere Stoffe. Das ist alles längst bekannt. Mit Neutrinos gibtes keine Erfahrungen.

Zum Vergleich (Bild):Absorptionskoeffizient vonelektromagnetischer Strahlung inWasser im Bereich 0 – 1,8 MeV. DerEnergiebereich entspricht also demBereich, für den es keine Messungenzu Neutrinos gibt. Man beachte dieÄnderung um mehr als 10Zehnerpotenzen in diesem Bereich.

Das erstaunlichste Argument kommt aus der Beobachtung des β-Zerfallsselber. Die β-Zerfall gemessenen Zerfallszeiten unterscheiden sich umGößenordnungen. Dabei werden Neutrinos ausgesandt. Für den inversenBeta-Zerfall, bei dem Neutrinos eingefangen werden, sollte von gleichenVerhältnissen bezüglich der Absorptionswahrscheinlichkeit ausgegangenwerden.

Die Reaktionswahrscheinlichkeit von Antineutrinos mit Materie kann, vonIsotop zu Isotop, um Größenordnungen variieren. Die gegenteiligeBehauptung, dass sich alle Isotope bezüglich solcher Reaktionen gleichverhalten, müsste dagegen erklärt werden. Experimentell gemessen werdenmuss das Alles auf jeden Fall, um eine Umgebungsbelastung vonKernkraftwerken ausschließen zu können.


Date post:	29-Jun-2015
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Elektroschwache Wechselwirkung

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