Hat China den Schlüssel zum Neutrino-Rätsel gefunden?
Milliarden Neutrinos durchqueren uns jede Sekunde. JUNO könnte nun eines der größten Rätsel der Physik lösen.
Unter der Acrylhülle des Neutrino Observatoriums Juno sollen Geisterteilchen aufgefangen werden und dabei helfen, Teilchenphysik zum Teil neu zu schreiben.
Foto: JUNO Collaboration
Das Wichtigste in Kürze
- Das chinesische Neutrino-Observatorium JUNO hat seine ersten wissenschaftlichen Ergebnisse veröffentlicht.
- Bereits nach knapp 60 Messtagen erreicht die Anlage eine höhere Präzision als frühere Experimente.
- Ziel ist die Bestimmung der sogenannten Neutrino-Massenordnung – eines der wichtigsten ungelösten Probleme der Teilchenphysik.
- Der Detektor enthält 20.000 Tonnen Flüssigszintillator und mehr als 45.000 Photosensoren.
- Die ersten Daten zeigen vor allem eines: JUNO funktioniert wie geplant und könnte das Rätsel der Neutrinomassen in den kommenden Jahren tatsächlich lösen.
Milliarden Neutrinos durchqueren in jeder Sekunde Ihren Körper. Sie stammen von der Sonne, aus kosmischen Prozessen oder von Kernreaktoren. Trotzdem nehmen Sie davon nichts wahr. Die Teilchen wechselwirken so selten mit Materie, dass sie selbst mit modernster Technik nur schwer nachweisbar sind.
Gerade deshalb gehören Neutrinos zu den faszinierendsten Bausteinen der Natur. Sie könnten helfen zu erklären, warum das Universum heute fast ausschließlich aus Materie besteht. Sie spielen eine Rolle bei Supernova-Explosionen, bei der Entwicklung des Kosmos und möglicherweise sogar bei bislang unbekannten physikalischen Prozessen.
Doch bevor diese Fragen beantwortet werden können, müssen Physikerinnen und Physiker zunächst ein grundlegendes Rätsel lösen: Wie sind die Massen der Neutrinos verteilt? Genau dafür wurde das Jiangmen Underground Neutrino Observatory, kurz JUNO, gebaut. Die Anlage im Süden Chinas hat nun ihre ersten wissenschaftlichen Ergebnisse vorgelegt. Sie zeigen, dass der Detektor die hohen Erwartungen erfüllen könnte.
Inhaltsverzeichnis
Das Rätsel der Neutrinomassen
Lange galt in der Physik die Annahme, Neutrinos seien masselos. Dieses Bild änderte sich Anfang der 2000er-Jahre grundlegend. Forschende konnten nachweisen, dass Neutrinos während ihres Fluges ihre Identität wechseln.
Ein Elektron-Neutrino kann sich beispielsweise in ein Myon-Neutrino oder Tau-Neutrino verwandeln. Diese sogenannten Neutrino-Oszillationen sind nur möglich, wenn die zugrunde liegenden Massenzustände unterschiedliche Massen besitzen.
Damit war klar: Neutrinos haben eine Masse. Allerdings kennt bis heute niemand die genaue Reihenfolge dieser Massen.
Bekannt ist lediglich, dass zwischen den drei Massenzuständen zwei unterschiedlich große Massenabstände existieren. Einer davon ist rund 30-mal größer als der andere. Unklar bleibt jedoch, welcher Massenzustand der schwerste und welcher der leichteste ist.
Diese sogenannte Massenordnung ist weit mehr als ein Detail der Teilchenphysik. Sie beeinflusst zahlreiche andere Forschungsfelder – von zukünftigen Neutrinoexperimenten bis hin zu kosmologischen Modellen über die Entwicklung des Universums.
Ein Detektor im XXL-Format
Um Antworten zu finden, entstand nahe der chinesischen Stadt Jiangmen eine der größten wissenschaftlichen Anlagen der Gegenwart. Der Detektor befindet sich unter einer rund 650 m dicken Gesteinsschicht beziehungsweise etwa 700 m unter der Erdoberfläche. Die Lage schützt die Messungen vor störender kosmischer Strahlung.
Im Zentrum der Anlage hängt eine transparente Acrylkugel mit einem Durchmesser von 35,4 m. Sie enthält rund 20.000 t Flüssigszintillator – eine spezielle Flüssigkeit, die Lichtblitze erzeugt, wenn Teilchen mit ihr wechselwirken.
Um diese Lichtsignale sichtbar zu machen, installierten die Ingenieurteams mehr als 45.000 Photosensoren. Darunter befinden sich rund 20.000 große Photomultiplier mit 20 Zoll Durchmesser sowie weitere 25.600 kleinere Detektoren. Alle Sensoren arbeiten gemeinsam wie eine gigantische digitale Kamera für Elementarteilchen.
Warum die Entfernung von 53 km entscheidend ist
JUNO misst Antineutrinos, die in den Kernkraftwerken Taishan und Yangjiang entstehen. Beide Anlagen liegen etwa 53 km entfernt.
Diese Entfernung wurde gezielt gewählt. In diesem Bereich überlagern sich die verschiedenen Schwingungsmuster der Neutrinos besonders stark. Dadurch entstehen charakteristische Veränderungen im Energiespektrum, die Rückschlüsse auf die Massenordnung erlauben.
Die Forschenden sprechen von einem optimalen Beobachtungsfenster. Nirgendwo sonst lässt sich das Zusammenspiel der verschiedenen Oszillationsfrequenzen so präzise vermessen.
Wie JUNO die Geisterteilchen sichtbar macht
Neutrinos lassen sich nicht direkt beobachten. Stattdessen registriert JUNO die seltenen Wechselwirkungen von Antineutrinos mit Protonen im Flüssigszintillator.
Dabei läuft vereinfacht folgender Prozess ab:
- Ein Antineutrino trifft auf ein Proton.
- Es entstehen ein Positron und ein Neutron.
- Diese Teilchen erzeugen Lichtblitze im Flüssigszintillator.
- Die Photosensoren erfassen das Licht.
- Computer rekonstruieren Energie und Eigenschaften des ursprünglichen Antineutrinos.
Aus Millionen solcher Ereignisse entsteht nach und nach ein präzises Bild der Neutrino-Oszillationen.
Die ersten Daten überraschen positiv
Für die erste wissenschaftliche Auswertung analysierte die JUNO-Kollaboration Daten aus den ersten 59 Messtagen. In diesem Zeitraum registrierte die Anlage rund 2380 Reaktor-Antineutrinos. Die Datenmenge erscheint zunächst überschaubar. Dennoch erreichte das Team bereits eine höhere Präzision als frühere Experimente. Die Unsicherheit bei einer wichtigen Massendifferenz sank auf 1,6 %. Bisherige Spitzenwerte lagen bei etwa 2,5 %.
Für die Forschenden ist dies vor allem ein Beleg dafür, dass die Anlage technisch wie geplant funktioniert. „Unsere Resultate bestätigen, dass die Leistung des Detektors, die Kalibrierungsstrategien und die Analyse-Pipeline so funktionieren wie erwartet“, schreibt die JUNO-Kollaboration.
Auch außerhalb des Projekts sorgen die Ergebnisse für Aufmerksamkeit. Die Physikerinnen Patricia Vahle und Zoya Vallari schreiben in einem begleitenden Kommentar: „Dieses erste Resultat von JUNO markiert den Anbruch einer neuen Ära, in der die Neutrino-Oszillation präzise gemessen werden kann.“
Ingenieurkunst unter der Erde
Aus technischer Sicht ist JUNO mindestens ebenso interessant wie aus physikalischer. Der Bau erforderte jahrelange Planungen. Zunächst entstand ein 44 m tiefes Wasserbecken. Darin wurde ein gewaltiges Edelstahlgerüst installiert, das die Acrylkugel trägt.
Besonders anspruchsvoll war die Befüllung des Detektors. Über einen Zeitraum von sechs Monaten mussten 20.000 t Flüssigkeit eingebracht werden. Der Flüssigkeitsstand durfte dabei nur minimal schwanken. Größere Abweichungen hätten die Struktur belasten können.
Hinzu kamen hohe Anforderungen an die Materialreinheit. Selbst kleinste Verunreinigungen können bei einem derart empfindlichen Experiment die Messergebnisse beeinflussen. Chefingenieurin MA Xiaoyan beschreibt die Herausforderung so: „Der Bau von JUNO war eine Reise voller außergewöhnlicher Herausforderungen.“
Mehr als nur die Massenordnung
JUNO wurde nicht ausschließlich für die Suche nach der Neutrinomassenordnung gebaut.
Die Forschenden wollen außerdem:
- Neutrinos aus der Sonne untersuchen,
- Signale von Supernova-Explosionen registrieren,
- Geoneutrinos aus dem Erdinneren messen,
- nach sterilen Neutrinos suchen,
- Hinweise auf Protonenzerfälle finden.
Langfristig könnte die Anlage sogar beim Nachweis des neutrinolosen Doppelbetazerfalls helfen. Dieser bislang unbeobachtete Prozess würde zeigen, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Eine solche Entdeckung hätte weitreichende Folgen für die moderne Physik.
Der nächste Schritt heißt TAO
Noch hat JUNO das Rätsel der Neutrinomassen nicht gelöst. Die bisherige Messzeit reicht dafür nicht aus. Die Forschenden planen deshalb bereits die nächste Ausbaustufe. Das Taishan Antineutrino Observatory (TAO) soll künftig direkt an einem Reaktor installiert werden. Dort lassen sich die Antineutrinos unmittelbar nach ihrer Entstehung vermessen.
Durch den Vergleich mit den Daten aus 53 km Entfernung können die Oszillationen noch genauer bestimmt werden.en Ziele des Experiments geebnet“, sagt Prof. Gioacchino Ranucci von der Universität Mailand.
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