Borexino enthüllt neue Details aus dem Fusionsreaktor Sonne

  • 17. October 2011

Forscher wiesen erstmals Neutrinos aus der Fusionsreaktion von zwei Protonen und einem Elektron nach und bestimmten die strengste Obergrenze für den Bethe-Weizsäcker-Zyklus.

Die scheinbar unerschöpfliche Energiequelle der Sonne, letztlich die Grundlage allen Lebens auf unserem Planeten, hat Menschen seit Jahrhunderten fasziniert. Spätestens nachdem das Alter der Erde (und damit des Sonnensystems) von mehreren Milliarden Jahren bekannt war, konnten weder herkömmliche chemische Prozesse noch die Gravitationsenergie einer schrumpfenden Sonne als Energiequelle in Frage kommen. Sie wären viel zu rasch erschöpft. Erst die kernphysikalische Forschung in den 1930er Jahren fand mit der Kernfusion von Wasserstoff zu Helium einen Prozess, der ergiebig und nachhaltig genug ist. Die Sonne erwies sich damit als gigantischer Fusionsreaktor, der durch seine eigene Schwerkraft stabilisiert wird. Dabei verschmelzen bei einer Temperatur von zirka 15 Millionen Grad jeweils vier Protonen zu einem Heliumkern. Außerdem werden jeweils noch zwei Positronen und zwei Neutrinos freigesetzt.

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Abb.: Der Proton-Proton-Fusionszyklus: Vier Protonen verschmelzen zu einem Heliumkern. Dargestellt ist die Hauptkomponente des Zyklus, die etwa 91 Prozent der Fusionsleistung der Sonne ausmacht. In der linken Schleife ist die übliche Startreaktion (pp), die Verschmelzung zweier Protonen gezeigt. Rechts exemplarisch die seltenere pep-Reaktion, die zusätzlich ein Elektron einbezieht. (Bild: MPI-K)

Die Neutrinos stellen ideale Sonden dar, um näheren Einblick in den solaren Fusionsofen zu gewinnen. Sie durchdringen dank ihrer schwachen Wechselwirkung mit Materie die Schichten der Sonne nahezu ungehindert und liefern direkte Informationen über die Verhältnisse im Zentrum. Von besonderem Interesse sind dabei die Energien der Neutrinos, die spezifisch für bestimmte Fusions-Reaktionszyklen sind. Forscher des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik und der Technischen Universität München haben nun zusammen mit ihren Kollegen der internationalen Borexino-Kollaboration mit dem gleichnamigen neue Erkenntnisse über die solaren Fusionszyklen gewonnen.

Nach dem gängigen Sonnenmodell dominiert in dem Gestirn der so genannte Proton-Proton-Zyklus, der mit der Verschmelzung zweier Protonen (pp-Reaktion) startet. Die hieraus entstehenden Neutrinos haben recht niedrige Energien und waren daher lange Zeit schwer aufzuspüren. Borexino hat aber in den letzten Jahren unter Einbeziehung der Vorgängerexperimente Gallex/GNO den pp-Neutrinofluss indirekt bestätigt und zwei weitere Komponenten (7Be- und 8B-Neutrinos) aus diesem Fusionszyklus direkt nachgewiesen. Offen blieb noch der Nachweis einer alternativen Startreaktion, bei der zwei Protonen und ein Elektron unter Aussendung eines Neutrinos zu einem Deuteriumkern verschmelzen (pep-Reaktion). Dieses Neutrino hat höhere Energie und lässt sich besser nachweisen, jedoch ist diese Reaktion 400 mal seltener, da sich hierfür drei Teilchen treffen müssen. Der pep-Neutrinofluss ist von Interesse, da sich daraus der niederenergetische pp-Fluss indirekt ableiten lässt.

Hinzu kam die Frage, wie stark ein weiterer Fusionsprozess, der so genannte Bethe-Weizsäcker- oder CNO-Zyklus, im Sonnenkern wirkt. Die gängigen Sternmodelle gehen davon aus, dass dieser in der Sonne nur eine marginale Rolle spielt, da er höhere Temperaturen benötigt, wie sie in massereicheren Sternen herrschen. Eine Beobachtung dieses Prozesses in der Sonne wäre der erste direkte Nachweis überhaupt und damit von erheblicher Bedeutung für die Astrophysik.

Zwar durchdringen uns auf jedem Quadratzentimeter in jeder Sekunde ca. 60 Milliarden solare Neutrinos, aber aufgrund ihres flüchtigen Verhaltens sind sie sehr schwer nachzuweisen. Zugleich gilt es, einen Neutrinodetektor vor störenden Strahlungen zu schützen. Das Sonnenneutrino-Experiment Borexino befindet sich im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor, wo 1500 Meter Gestein schon einmal einen großen Teil der kosmischen Strahlung abschirmen. Ein schalenförmiger Aufbau, der den inneren Teil von 300 Tonnen einer speziellen Flüssigkeit zum Nachweis der Neutrinos umgibt, hilft, die Umgebungsstrahlung weiter zu reduzieren. Dabei wird auf höchste Reinheit hinsichtlich radioaktiver Stoffe geachtet, welche die Messungen verfälschen würden.

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Abb.: Der Borexino-Detektor: Im Innern einer Kugel, die 14 Meter durchmisst, treffen solare Neutrinos auf 300 Tonnen einer speziellen Flüssigkeit und erzeugen dort Lichtblitze, die mit Photovervielfachern aufgenommen werden. (Bild: Borexino-Kollaboration)

Mit Borexino können täglich etwa 50 solare Neutrinos beobachtet werden, aber für den Nachweis der pep-Neutrinos mussten die Forscher weitere Tricks anwenden. Ein Problem war das radioaktive Kohlenstoff-Isotop C-11, das durch Beschuss mit den wenigen restlichen Myonen aus der kosmischen Strahlung gebildet wird und eine Halbwertszeit von etwa 20 Minuten hat. „Wir können den Ort eines C-11-Kerns lokalisieren und diesen Bereich dann für eine gewisse Zeit von der Datenaufnahme auszuschließen, bis das C-11 sicher zerfallen ist“, so Werner Maneschg, der diese Methode am MPI für Kernphysik mitentwickelt hat. „Das übrige Detektorvolumen steht dabei weiter zur Verfügung.“

Für die Identifizierung der C-11-Zerfälle ist es unabdingbar, jene kosmischen Myonen zu erkennen, die diese Kerne erzeugen. Dazu dient ein sogenanntes Myon-Veto, das den eigentlichen Borexino-Detektor vollständig umgibt. Myonen, die das Veto durchqueren, erzeugen in ihm elektromagnetische Cherenkov-Strahlung, die von Lichtsensoren nachgewiesen wird. Dieses Detektorsystem wurde von Wissenschaftlern der TU München konzipiert und realisiert. „Die Nachweiseffizienz von Borexino für Myonen liegt bei über 99,99 Prozent. Das ist die Voraussetzung für die erfolgreiche Identifikation der pep-Neutrinos“, so Quirin Meindl vom Physik-Department der TU München.

Den Forschern ist es erstmals gelungen, Neutrinos aus der pep-Reaktion zu sehen und die beobachtete Häufigkeit stimmt mit der Vorhersage aus dem Sonnenmodell gut überein. Für den Nachweis von CNO-Neutrinos war der Strahlungsuntergrund während der Messung noch etwas zu hoch, immerhin konnte daraus aber eine neue Obergrenze für den CNO-Prozess ermittelt werden. Dieser wird zugänglich, falls es gelingt, die nächsten noch störenden Strahlungsquellen durch verbesserte Reinigungsverfahren zu reduzieren.

MPI-K / P. Hummel

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