„Neutrinos sind einzigartige Boten“

Neben Lichtquanten sind Neutrinos die häufigsten Elementarteilchen im Universum: Jede Sekunde durchdringen uns Milliarden von ihnen – völlig ungehindert, denn Neutrinos treten kaum mit Materie in Wechselwirkung. Diese Eigenschaft macht ihren Nachweis zu einer Herausforderung. Doch die Mühe lohnt sich, verrät Christian Spiering vom Forschungszentrum DESY in Zeuthen im Interview.

Welt der Physik: Warum sind so große Detektoren nötig, um Neutrinos zu untersuchen?

Christian Spiering

Christian Spiering: Neutrinos wechselwirken nur äußerst selten. Ein Neutrino von der Sonne beispielsweise, das den ganzen Erdball durchquert, stößt mit einer Wahrscheinlichkeit von nur ein paar Milliardsteln mit einem Atomkern zusammen. Darum sind Neutrinos nur mit aufwendigen Experimenten nachzuweisen. Andererseits sind sie auch einzigartige Boten, die uns Informationen über kompakte Objekte liefern können, aus denen es Licht nicht – oder zumindest nicht direkt – herausschafft.

Wo im Weltall entstehen denn Neutrinos?

Überall, wo Kernreaktionen und hochenergetische Prozesse stattfinden, entstehen auch Unmengen an Neutrinos – von Kernreaktoren und radioaktiven Zerfällen im Erdinneren bis hin zu Fusionsprozessen in Sternen oder bei einer Supernova. Neutrinos dringen fast ungehindert durch alle Materie und liefern uns darum Informationen über viele sonst kaum zugängliche Prozesse.

Können Sie dafür Beispiele nennen?

Die meisten Neutrinos, die die Erde erreichen, stammen von unserer Sonne. Denn die Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium im Zentrum der Sonne erfolgt über mehrere Zwischenschritte, bei denen auch Neutrinos erzeugt werden. Ein Neutrino, das im Zentrum der Sonne entsteht, erreicht nach gut zwei Sekunden die Oberfläche der Sonne und nach acht Minuten die Erde – und behält dabei exakt seine Energie. Zum Vergleich: Elektromagnetische Strahlung wird im dichten Sonnenplasma so oft hin- und hergestreut, dass es einige Hunderttausend Jahre braucht, ehe sie schließlich als Wärmestrahlung die Sonne verlässt. Auf der Erde können wir die Energie der Neutrinos messen und dadurch buchstäblich Schritt für Schritt die Prozesse im Sonneninnern verfolgen. Berechnen ließ sich das schon seit vielen Jahrzehnten, aber experimentell testen konnte man es nur mit Neutrinos.

Welche Informationen geben Neutrinos über Sternexplosionen preis?

Wenn bei einer Supernova ein Neutronenstern entsteht, werden ungeheure Mengen an Neutrinos freigesetzt. Sie tragen den allergrößten Teil der freiwerdenden Energie nach außen – rund 99 Prozent. Dadurch kühlt sich der anfangs extrem heiße Neutronenstern innerhalb einiger Sekunden rapide ab. Neutrinos von so einer Supernova wurden bisher erst einmal – im Jahr 1987 – registriert. Aus ihren Eigenschaften konnte man die Temperatur im Innern des neu entstandenen Neutronensterns auf 30 bis 50 Milliarden Grad Celsius abschätzen. Und wieder: Diese direkte Information konnten ausschließlich Neutrinos liefern!

Liefern Neutrinos auch Informationen über andere extreme kosmische Ereignisse?

Ja, etwa über Prozesse in der Nähe supermassereicher Schwarzer Löcher im Zentrum von Galaxien. Mit dem Neutrinoobservatorium IceCube am Südpol konnten wir 2014/15 und 2017 Neutrinos aus einer solchen Galaxie nachweisen. Diese Neutrinos haben eine etwa zehn Millionen Mal höhere Energie als Neutrinos aus einer Supernovaexplosion.

Auch wenn IceCube eigentlich nach kosmischen Neutrinos aus den Tiefen des Alls sucht, haben Forscher das Observatorium kürzlich genutzt, um ein Dichteprofil der Erde zu erstellen. Wie ist das möglich?

IceCube-Labor

Neutrinos sehr hoher Energie, wie wir sie mit IceCube registrieren, wechselwirken deutlich stärker mit Materie als Sonnenneutrinos. Beim Flug durch die Erde werden darum nicht nur ein paar Milliardstel der Neutrinos absorbiert – wie bei Sonnenneutrinos –, sondern einige Prozent. Je mehr Materie entlang der Flugbahn liegt, umso mehr werden absorbiert – beim Flug durch den sehr dichten Erdkern also mehr als beim Flug durch den Erdmantel oder die Erdkruste. Wir registrieren pro Jahr etwa 100 000 Neutrinos, die in der Erdatmosphäre erzeugt wurden, und bestimmen deren streckenabhängiges Defizit, das durch die Absorption in der Erde erzeugt wurde. Daraus können wir ein Dichteprofil der Erde ableiten. Noch kann unsere Genauigkeit nicht mit der von seismologischen Daten mithalten. Aber mit den kommenden großen Neutrinodetektoren, die noch dazu an unterschiedlichen Orten auf der Welt stehen, können wir den Geoforschern eine interessante Möglichkeit bieten, ihre Modelle des Erdinnern zu überprüfen.

Auch in der Erde entstehen ständig Neutrinos. Lassen sich damit ebenfalls Informationen gewinnen?

Die Erde kühlt im Lauf der Jahrmilliarden ganz langsam ab. Ein Teil der dabei freiwerdenden Wärme wird durch Prozesse im Gefolge des radioaktiven Zerfalls von Uran und Thorium nachgeliefert, die im Erdmantel in gewisser Menge vorhanden sind. Bei diesen Zerfällen werden auch Neutrinos erzeugt, die von zwei Detektoren – einem in Japan und einem in Italien – nachgewiesen wurden. Nach diesen Messungen stammt etwa die Hälfte, womöglich sogar zwei Drittel, der Wärmeenergie, die die Erde abgibt, aus radioaktiven Zerfällen.

Was ist mit Neutrinos aus Kernreaktoren? Ließen die sich auch auswerten?

Tatsächlich unterstützt die Internationale Atomenergie-Organisation die Entwicklung von Neutrinodetektoren zur Reaktorüberwachung. Wenn man auf weniger als hundert Meter an den Reaktor herankommt, kann man anhand des Neutrinoflusses und des Neutrinospektrums bestimmen, ob versucht wurde, atombombentaugliches Plutonium aus dem Reaktor zu entfernen. Ob ein Reaktor läuft oder nicht, kann man auch aus größerer Entfernung feststellen. Solche Detektoren sind mittlerweile nahezu anwendungsreif.

Es wurde auch vorgeschlagen, die Energie der Sonnenneutrinos zu nutzen, um eine Art Solarzelle zu betreiben. Was ist von derartigen Methoden der Energiegewinnung zu halten?

Buchstäblich nichts, denn nur knapp drei Prozent der Sonnenergie wird in Form von Neutrinos emittiert – der Rest als elektromagnetische Strahlung. Selbst wenn ich berücksichtige, dass mich nachts kein Sonnenlicht erreichen kann und dass die Atmosphäre einen beträchtlichen Teil des Sonnenlichts absorbiert, kommt im Mittel fünfmal mehr Energie in Form von Licht als in Form von Neutrinos auf der Erdoberfläche an. Diese müsste man dann erst in nutzbare Energie verwandeln – ähnlich wie eine Solarzelle. Während aber der Wirkungsgrad von typischen Solarzellen bei 15 Prozent liegt, wechselwirken Neutrinos fast gar nicht. Eine „Wunderfolie“, in der wenigstens zehn Prozent der Sonnenneutrinos wechselwirken würden, müsste eine Dichte von der Größenordnung 1 000 000 000 000 000 000 Gramm pro Kubikzentimeter haben, rund tausendfach mehr als die Materie in einem Neutronenstern. Zum Vergleich: Gold hat eine Dichte von 19,3 Gramm pro Kubikzentimeter. Da kann ich als Physiker nur von barem Unsinn sprechen.