Forschung

CONUS engt den Spielraum für neue Physik ein

25.10.2021 - Auf der Suche nach neuartigen Wechselwirkungen von Neutrinos.

Es gibt eine ganze Reihe von Gründen dafür, dass das Standard­modell der Teilchen­physik nicht voll­ständig ist. Eine sehr interes­sante Option sind hierbei neuartige Wechsel­wirkungen von Neutrinos. Dabei würde es sich um sehr kleine Effekte handeln, die schwer nach­weisbar sind. Das CONUS-Experiment des MPI für Kernphysik sucht am Kern­kraft­werk Brokdorf nach diesen Effekten, und die daran beteiligten Forscher haben nun erste Ergebnisse präsentiert, die für bestimmte theoretische Richtungen die bislang besten Grenzen liefern.

CONUS hat im April 2018 den Messbetrieb auf­ge­nommen und nutzt für seine Messungen Anti­neutrinos, die im Reaktor als Neben­produkt entstehen. Der Abstand des experi­men­tellen Aufbaus, der sich im inneren Sicher­heits­bereich der Anlage befindet, zum Reaktor­kern beträgt nur 17 Meter. Dadurch steht ein hoher Fluss von 24 Billionen Neutrinos pro Sekunde und Quadrat­zenti­meter zur Verfügung. Die Kombi­nation von starker Quelle, einer speziellen Abschirmung gegen Stör­strahlung aus der Umgebung und opti­mierten Halbleiter­detektoren aus Germanium macht das Experiment zu einem weltweit führenden Projekt auf diesem Gebiet.

„Das Design der Abschirmung basiert auf der lang­jährigen Erfahrung des MPIK mit hoch­reinen Materialien, deren Radio­aktivität mehrere Größen­ordnungen unterhalb der natür­lichen Umgebungs­strahlung liegt. So konnten wir im inneren Bereich des Reaktors ober­flächen­nah Bedingungen erreichen, für die man üblicher­weise tief unter die Erde muss, wie zum Beispiel in das Gran Sasso Unter­grund­labor“, erläutert Manfred Lindner, Direktor der Abteilung Teilchen- und Astro­teilchen­physik am MPIK.

Für die aktuell präsentierten Ergebnisse verwendeten die Forscher Daten aus Phasen, in denen der Reaktor an- und abgeschaltet war. So lassen sich die gesuchten Prozesse genauer unter­suchen und die Möglich­keiten neu­artiger Physik weiter als bisher einschränken. Eine Material­eigen­schaft des Germaniums, das Quenching, limitiert bisher die Mess­genauig­keit. Die gemessene Ionisations­energie im Halb­leiter­detektor ist für Stöße der Neutrinos an Atom­kernen geringer als von Elektronen gleicher Energie. Diesen Verlust-Effekt muss man in der Analyse und Auswertung der Daten entsprechend berück­sichtigen.

„Deshalb haben wir zum besseren Verständnis der Daten am Reaktor parallel Messungen an der Physikalisch-Technischen Bundes­anstalt in Braunschweig durch­geführt, um den Quenching-Effekt präziser als bisher zu bestimmen“, so Werner Maneschg vom MPIK. Kombiniert mit weiteren Daten­sätzen wird dies der CONUS-Kolla­bo­ration erlauben, die Ergebnisse in Zukunft weiter zu verfeinern und die betreffenden Wechsel­wirkungen noch genauer unter die Lupe zu nehmen.

Die neuartigen Wechsel­wirkungen der Neutrinos lassen sich – ähnlich wie die schwache Kraft im Standard­modell der Teilchen­physik – bei niedrigen Energien als eine spezielle Art von Wechsel­wirkungen beschreiben, Theoretikern als „effektive vier-Fermi-Wechsel­wirkungen“ bekannt. Diese sogenannten NSI-Operatoren kann man weiter nach ihren Eigen­schaften bezüglich der Raum-Zeit klassi­fi­zieren. Die neuen Ergebnisse des CONUS-Experiments liefern nun im Falle einiger dieser Kanäle die weltweit engsten Grenzen für neue Physik. Die erzielten Ausschluss­bereiche für NSI-Operatoren entsprechen Grenzen für eine Kombination aus den Massen und Kopplungs­stärken von theoretisch gut motivierten neuartigen Bosonen. Für andere Kanäle werden bisherige Ergebnisse bestätigt.

Der in diesem Jahr weiter verbesserte CONUS-Messaufbau nimmt derzeit bei einge­schaltetem Reaktor Daten bis zum Jahres­ende. Die 2022 anstehende Abschaltung des Kraftwerks in Brokdorf erlaubt danach eine sehr sorg­fältige Messung des Unter­grunds, sodass mit weiteren wichtigen Ergebnissen des CONUS-Projekts zu rechnen ist.

MPIK / RK

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