SNO+: Eigenschaften der Neutrinos auf der Spur

Im Jahr 2002 konnten Forscher am kanadischen Sudbury Neutrino Observatory (SNO) erstmals nachweisen, dass Elektronneutrinos von der Sonne als andere Neutrinotypen auf der Erde ankommen. Mit dem Nachfolgeexperiment SNO+ wollen die Wissenschaftler weitere Geheimnisse der scheuen Teilchen lüften und wichtige Fragen der Teilchenphysik, Astrophysik und Geophysik klären.

SNO: Hinweis auf Neutrinooszillationen

Über 2000 Meter tief unter der Erde liegt das kanadische Labor SNOLAB in einer alten, aber noch aktiven Nickelmine in der Nähe von Sudbury in Ontario, Kanada. Hier war von 1999 bis 2006 ein Neutrinodetektor in Betrieb, der Physikgeschichte schrieb: das Sudbury Neutrino Observatory, kurz SNO.

Das SNO-Experiment

So gelang es den SNO-Forschern zum ersten Mal experimentell nachzuweisen, dass das sogenannte Sonnenneutrino-Problem – auf der Erde kommen zu wenig Elektronneutrinos aus der Sonne an – tatsächlich durch Neutrinooszillationen erklärt werden kann (siehe Artikel Neutrinos über Bord): Dieser Theorie zufolge können sich die verschiedenen Neutrinosorten ineinander umwandeln, sodass die in der Sonne erzeugten Elektronneutrinos in Form einer der beiden anderen Neutrinosorten hier ankommen. (Den endgültigen, direkten Beweis für Neutrinooszillationen erbrachte das OPERA-Experiment im Jahr 2010 (siehe Artikel OPERA: Spuren der Neutrino-Oszillation).

Der Nachfolger: SNO+

Mit dem Nachfolgeexperiment SNO+ wollen die Forscher aus Kanada, den USA, Großbritannien, Deutschland und Portugal nun an die Erfolge von SNO anknüpfen. Dazu übernehmen sie den Großteil der bestehenden Infrastruktur von SNO, insbesondere das Herz des Detektors: eine zwölf Meter große Kugel aus Acrylglas, die zur Abschirmung und mechanischen Stabilisierung in ein Wasserbecken eingetaucht ist und von etwa 10.000 extrem empfindlichen Lichtsensoren – sogenannten Photomultipliern – beobachtet wird.

Der SNO-Detektor im Aufbau

Bei SNO war die Acrylkugel mit schwerem Wasser gefüllt; der Nachfolger SNO+ nutzt stattdessen etwa tausend Tonnen des flüssigen Szintillators Lineares Alkylbenzol (LAB): eine organische Flüssigkeit ähnlich dem Mineralöl, die beim Durchgang geladener Teilchen Licht aussendet. Tritt ein Neutrino in dieser Flüssigkeit mit einem Elektron oder Atom in Wechselwirkung, entstehen geladene Teilchen, die auf ihrem Weg durch den Szintillator wiederum Licht erzeugen. Diese Lichtblitze werden von der Photomultiplieranordnung registriert.

Der Neutrinonachweis erfolgt bei SNO+ somit ähnlich wie bei SNO, mit dem Unterschied, dass das Licht nun über einen Szintillationsprozess und nicht, wie in dem bei SNO verwendeten schweren Wasser, als Tscherenkow-Strahlung erzeugt wird. Diese Ähnlichkeit der Nachweisprinzipien erlaubt es den Forschern, das alte Experiment ohne allzu großen Aufwand zu einem Detektor auf Szintillatorbasis umzufunktionieren. Der Vorteil des neuen Konzepts: Die in einem flüssigen Szintillator produzierte Lichtmenge ist deutlich größer als die in Wasser; zudem besitzt die Lichtproduktion im Szintillator keine Energieschwelle wie die Erzeugung von Tscherenkow-Licht, die voraussetzt, dass die erzeugten Teilchen Überlichtgeschwindigkeit im betreffenden Medium erreichen. Damit ist SNO+ wesentlich empfindlicher und kann Neutrinos mit deutlich kleinerer Energie untersuchen als sein Vorgänger SNO.

Das neue Halterungssystem für SNO+

Derzeit sind weltweit zwei große Flüssigszintillator-Neutrinoexperimente in Betrieb: das Borexino-Experiment im Gran-Sasso-Labor in Italien sowie der KamLAND-Detektor in der Kamioka-Mine in Japan. Mit seinem Tausend-Tonnen-Tank ist das neue SNO+-Experiment genauso groß wie KamLAND und mehr als dreimal größer als Borexino. Zudem liegt es viel tiefer unter der Erde, wodurch es sehr gut gegen störende kosmische Strahlung abgeschirmt ist. Momentan befindet sich der SNO-Detektor in der Umbauphase, um den neuen Anforderungen von SNO+ gerecht zu werden. Insbesondere muss dabei ein neues Halterungssystem für die Akrylkugel entwickelt werden, da die Szintillatorflüssigkeit eine geringere Dichte besitzt als das umgebende Wasser und die Kugel deswegen nach oben steigt – im Gegensatz zu SNO, bei dem die mit schwerem Wasser gefüllte Kugel nach unten gesunken wäre. Planmäßig soll das SNO+-Experiment im ersten Halbjahr 2012 anlaufen.

Die durch den flüssigen Szintillator bedingte hohe Lichtausbeute, die geografische Lage des Experiments und seine große Tiefe unter der Erde erlauben den Forschern an SNO+, die Eigenschaften von Neutrinos auf unterschiedliche Weisen zu studieren. So können sie eine ganze Reihe offener physikalischer Fragen in Augenschein nehmen.

Lesen Sie mehr zur Neutrinophysik mit SNO+ im zweiten Teil unseres Artikels.