Niederenergetische Variante von Sonnen-Neutrinos nachgewiesen

Gran Sasso (Italien) – Neutrinos, die bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium in unserer Sonne entstehen, können Forscher mehr über die Zusammensetzung von Sternen und den Abläufen in ihrem Inneren verraten. In der Vergangenheit ist Wissenschaftlern bereits gelungen, solare Neutrinos mit Energien von über fünf Megaelektronenvolt (MeV) zu messen, doch der Nachweis von Neutrinos mit einer Energie von 1 bis 1,5 MeV war bisher schwierig. Mit neuen Analysen konnten Forscher am Borexino-Experiment im Gran-Sasso-Untergrundlabor in Italien nun die Signale dieser Teilchen aus ihren Messungen herausfiltern und sie so direkt nachweisen. 

Modell des Borexino-Experiments

Bei Sternen wie unserer Sonne läuft die Kernfusion vor allem über die Proton-Proton-Reaktion (p-p-Reaktion) ab, bei der im ersten Schritt zwei Protonen zu einem Deuteriumkern verschmelzen. Dabei werden ein Positron und ein Elektron-Neutrino abgegeben, Letzteres hat eine Energie von über fünf MeV. Niederenergetische Neutrinos können dagegen bei einer alternativen Reaktionskette, dem sogenannten CNO-Zyklus entstehen, aber auch bei einem Teilprozess der Proton-Proton-Reaktion. Beim CNO-Zyklus sind unter anderem die Elemente Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) als Reaktionsschritte beteiligt. Er bestimmt die Fusion bei Sternen, die mehr als die 1,5-fache Masse der Sonne besitzen und daher heißer als die Sonne „brennen“. Die Sonne dagegen produziert nur etwa ein Prozent ihrer Energie über den CNO-Zyklus.

Ein Problem bei der Messung von niederenergetischen Neutrinos ist die radioaktive Strahlung des Kohlenstoff-Isotops ¹¹C, die Signale im gleichen Energiebereich produziert. ¹¹C hat eine Halbwertszeit von knapp 30 Minuten und entsteht, wenn Myonen – Teilchen der kosmischen Strahlung – mit Kohlenstoffkernen im Detektor des Experiments reagieren. Die Forscher der internationalen Borexino-Kollaboration konnten diese Ereignisse nun besser herausfiltern, indem sie die Korrelation der Signale von eintreffenden Myonen mit denen der freien Neutronen, die beim radioaktiven Zerfall des ¹¹C entstehen, bestimmten. Es blieben etwa drei Ereignisse pro Tag pro 100 Tonnen Detektor-Flüssigkeit, die die Forscher als Streuung von niederenergetischen Neutrinos identifizierten. 

Mit weiteren Messungen haben die Wissenschaftler vor, die Rate der niederenergetischen Neutrinos noch genauer zu ermitteln. Damit wollen sie schließlich auch Neutrinos aus dem CNO-Zyklus zweifelsfrei identifizieren, was bislang noch nicht gelungen ist. Damit kann man dann auch mehr über die Vorgänge in der Sonne erfahren, zum Beispiel wie hoch der Gehalt an Metallen in ihrem Inneren ist. Die Messung von solaren Neutrinos ist dabei ein wichtiges Mittel, um bisherige Theorien bestätigen oder korrigieren zu können.

Der Borexino-Detektor besteht aus einem Nylon-Ballon, der mit 300 Kubikmetern organischer Flüssigkeit gefüllt ist. Das große Volumen ist nötig, da Neutrinos kaum mit anderen Teilchen in Wechselwirkung treten. Damit der Detektor von äußerer Strahlung möglichst gut abgeschirmt ist, umgeben ihn weitere tausend Kubikmeter Abschirmflüssigkeit sowie ein wassergefüllter Stahltank. Die gesamte Konstruktion liegt außerdem unterirdisch im italienischen Gebirgsmassiv Gran Sasso. Wenn Neutrinos in die Flüssigkeit eindringen, können sie in sehr seltenen Fällen beim Zusammenstoß mit einem Elektron gestreut werden. Dabei entsteht ein Lichtblitz, der mit den 2200 Photosensoren vermessen wird, die den Detektor umgeben. 

Unterstützt wird das Borexino-Experiment von Italien, den USA, Deutschland Russland und Polen, auf deutscher Seite sind das Bundesministerium für Bildung und Forschung, die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die Max-Planck-Gesellschaft beteiligt.

In einer früheren Version dieses Artikels entstand der Eindruck, dass hier die Entdeckung von Neutrinos aus dem CNO-Prozess vermeldet wurde. Das ist nicht der Fall.