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Von: Dennis L.
Teilchenphysik

Borexino Detektor weist erstmals pp-Neutrinos nach

Der Borexino Detektor sieht aus wie der futuristische Antrieb eines Raumschiffes aus einer weit entfernten Zukunft. Doch in Wirklichkeit ist er Teil eines der wichtigsten Experimente in der Teilchenphysik und steht in rund 1.400 Meter Tiefe im Gran Sasso Bergmassiv.

Der Borexino Detektor im 1.400 Meter tiefen Gran Sasso Bergmassiv.
© Borexino Collaboration

Gran Sasso (Italien). Erstmals ist es Wissenschaftlern gelungen die pp-Neutrinos nachzuweisen. Bei den pp-Neutrinos handelt es sich um elektrisch neutrale Elementarteilchen, die beim Zünden der Kernfusion in Sternen entstehen. Dieser Vorgang wird auch als Proton-Proton-Kette oder als pp-Kette bezeichnet – daher der Name pp-Neutrino.

Im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik werden Neutrinos den Leptonen zugeordnet und kommen in drei verschiedenen Arten vor. Die drei Neutrinoarten werden als Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und als Tau-Neutrino bezeichnet. Die drei unterschiedlichen Neutrinoarten unterscheiden sich in ihren Massen, was sie unterschiedlich schwer zu detektieren macht.

Die ersten solaren Neutrinos wurden im Jahr 1960 entdeckt

Im Jahr 1960 wurden die ersten solaren Neutrinos, also Neutrinos die von unserer Sonne kommen, erfolgreich nachgewiesen. Diese entstehen während der Kernfusion im Inneren der Sonne und gelangen mit fast Lichtgeschwindigkeit die Erde. Da Neutrinos nahezu keine Wechselwirkung haben, fliegen sie einfach durch uns und durch die Erde hindurch. Modellrechnungen gehen davon aus, dass pro Sekunde, pro Quadratzentimeter rund 60 Milliarden Neutrinos durch uns hindurch fliegen. Um diese schwer nachweisbaren Elementarteilchen nachzuweisen, setzen Forscher auf riesige Detektoren, in denen wenigsten ein kleiner Bruchteil nachgewiesen werden kann.

Der Borexino Detektor gelang der erste Nachweis der pp-Neutrinos

Der Borexino Detektor ist Teil des Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), dem größten unterirdischen Versuchslabor zur Untersuchung von Elementarteilchen der Welt und befinden sich im Gran Sasso d’Italia in der Nähe von L'Aquila in Italien. In rund 1.400 Meter Tiefe sind die Detektoren durch massiven Feld vor der kosmischen Strahlung geschützt, welche die Messergebnisse verfälschen würde.

Seit dem Jahr 2007 arbeiten Wissenschaftler unterschiedlicher Institutionen am Borexino Detektor. Dieser beinhaltet einen riesigen Tank mit 300.000 Litern organischer Flüssigkeit. Wenn ein Neutrino zufällig direkt auf ein Elektron trifft, erzeugt die Flüssigkeit einen kleinen Lichtblitz. Dieser wird anschließend in elektrische Signale umgewandelt und verstärkt. Mit dem Borexino Detektor lassen sich Neutrinos nachweisen, deren Energien unterhalb von 420 Kiloelektronenvolt liegen – was gut 86 Prozent der Neutrinos ausmacht.

Die hier detektierten pp-Neutrinos entstehen, wenn zwei Protonen zu einem Deuteriumkern fusionieren. Bei diesem Prozess entstehen ein Position und ein Elektron-Neutrino. Durch die hohe Dichte der Sonne benötigen die Neutrinos alleine 100.000 Jahre um die Oberfläche der Sonne zu erreichen und 8 weitere Minuten um von dort zur Erde zu gelangen. Der Fusionsprozess in Sternen kann auf verschiedene Arten geschehen, bei denen in Folgereaktionen weitere Neutrinos entstehen. Diese Neutrinos weisen aber höhere Energien als die pp-Neutrinos auf und wurden bereits in früheren Experimenten nachgewiesen.

Mit Hilfe von Modellen zur Energieerzeugung in der Sonne lassen sich die zu erwartenden Anteile der nachgewiesenen Neutrinos bei unterschiedlichen Energien bestimmen, so dass es den Wissenschaftlern möglich war, aus der gemessenen Energieverteilung der detektierten Ereignisse auf die Anzahl der pp-Neutrinos zu schließen. Damit haben die Wissenschaftler nicht nur erstmalig die pp-Neutrinos nachgewiesen, sondern auch gezeigt, dass der gemessene Fluss der solaren Neutrinos mit den theoretischen Standardmodellen übereinstimmt.

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