Punktlandung für Pingpong-Neutrinos

Heidelberg - Jede Sekunde fliegen rund 70 Milliarden Neutrinos durch eine kleine Fläche von der Größe eines Daumennagels. Diese fast masselosen Elementarteilchen reagieren extrem selten mit anderer Materie und sind daher nur schwer zu detektieren. Seit dem ersten Nachweis im Jahr 1956 werden Neutrinos mit riesigen Detektoren wie dem IceCube-Observatorium in der Antarktis oder der KM3NeT-Anlage im Mittelmeer untersucht. Doch in Zukunft könnten die Detektoren deutlich schrumpfen und zugleich genauere Einblicke in die Physik der Neutrinos liefern. So gelang nun einer internationalen Forschergruppe der Neutrino-Nachweis mit vier hochreinen Kristallen aus Germanium, die zusammen nur knapp vier Kilogramm wiegen. Wie die Forschenden in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, könnte dieser Erfolg zu einer neuen Ära der Neutrino-Physik führen.

Die Germanium-Kristalle bilden das Herzstück des „CONUS+“-Detektors – eine Abkürzung für Coherent Neutrino Nucleus scattering – kohärente Neutrino-Kern-Streuung. Das Experiment unter der Federführung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg befindet sich in unmittelbarer Nähe des schweizerischen Kernkraftwerks in Leibstadt. Es ist nur 20,7 Meter vom Reaktorkern entfernt. Während des Betriebs entstehen durch die Kernspaltung und des Zerfalls des Uranisotops-238 Abermilliarden Neutrinos und Antineutrinos. Treffen die Antineutrinos auf den Kern eines Germaniumatoms, kommt es zu der so genannten kohärenten elastischen Antineutrino-Kern-Streuung. Das ist vergleichbar mit einem Tischtennisball, der auf ein Auto trifft und dabei einen kaum messbaren Rückstoß am Auto verursacht.

Die Energie dieses Kernrückstosses wird teils in Ionisierungsenergie und teils in Wärme umgewandelt. Mit den hochempfindlichen CONUS-Detektoren ließ sich nun die Ionisierungsenergie messen und damit ein winziger Bruchteil der Antineutrinos nachweisen. Um möglichst nur Antineutrinos vom Reaktor zu untersuchen, führten die Forschenden ihr Experiment sowohl mit laufenden Reaktor als auch in Stillzeiten mit abgeschaltetem Reaktor durch. Durch den direkten Vergleich beider Datensätze ließ sich die Unmenge anderer Neutrinos und Antineutrinos von der Sonne und von fernen Sternexplosionen im Weltall herausrechnen. Zudem schirmten zahlreiche Schichten aus Blei und Kunststoff den empfindlichen Detektor vor störender kosmischer Strahlung ab.

So konnten die Forschenden innerhalb von 119 Tagen zwischen November 2023 und Juli 2024 mit hoher statistischer Signifikanz 395±106 dieser Streuereignisse nachweisen. Unter Beachtung des Messfehlers liegt dieser Wert exakt im Bereich der theoretischen Erwartungen von 347±59 Ereignissen. „Wir haben damit erfolgreich die Sensitivität des CONUS+-Experiments und die Fähigkeit zum Nachweis von Antineutrino-Streuprozessen an Atomkernen bestätigt“, sagt Max-Planck-Forscher Christian Buck. Und mit weiteren Verbesserungen des Detektors erwartet er nun noch empfindlichere Messungen. Dann könnten sowohl das Streuverhalten von Neutrinos als auch deren physikalischen Eigenschaften im Detail besser untersucht und verstanden werden.