Forschung

Neutrino-Detektor en miniature

04.11.2020 - Reaktorneutrino-Detektor liefert erste Ergebnisse zu kohärenter Neutrino-Streuung.

Beim Stichwort „Neutrinoexperimente“ denkt der Experte unweigerlich an gigantische Detektor­systeme mit vielen Tonnen Material, die notwendig sind, um diese nur äußerst schwach wechsel­wirkenden und daher extrem durchdringenden Elementar­teilchen nachzuweisen. Zur Erforschung kosmischer Neutrinos werden gar ein Kubik­kilometer arktisches Inlandeis (IceCube) oder das Wasser der Tiefsee (Antares) genutzt, was einer Milliarde Tonnen entspricht.
 

Grundsätzlich wechselwirken Neutrinos auf zwei Weisen mit Materie: Entweder mit Elektronen in der Atomhülle oder mit dem aus Protonen und Neutronen bestehenden Atomkern. Letzterer bietet die Möglichkeit, dass ein Neutrino „kohärent“ mit dem Kern als Ganzes wechselwirkt, was die Wahrscheinlichkeit eines solchen Streu­prozesses ganz erheblich erhöht. Im Falle kohärenter Streuung wächst die Wahrscheinlichkeit für einen Treffer mit dem Quadrat der Anzahl der Neutronen im Atomkern. Für das Element Germanium ergibt sich aufgrund der hohen Anzahl Neutronen im Kern beispielsweise rechnerisch ein Faktor von etwa 1600! 

Im Prinzip kann dadurch im Vergleich zu anderen Neutrino-Wechsel­wirkungen eine Steigerung bei der kohärenten Wechsel­wirkung um bis zu drei Größen­ordnungen erwartet werden. Allerdings hat dieser Mechanismus auch einen Nachteil: Für kohärente Streuung darf die Energie des Neutrinos nicht zu hoch sein – im Bild der Materiewelle bedarf es einer Wellenlänge des Neutrinos von mindestens der Größenordnung eines Atomkerns. Das Neutrino überträgt bei der Streuung dann auch nur sehr wenig Rückstoß­energie auf den vergleichsweise schweren und somit trägen Atomkern, als würde man mit Sandkörnern auf einen LKW schießen. Dementsprechend niedrig muss die Energie­schwelle des Nachweis­systems sein. Dafür werden jedoch Neutrino­detektoren im Kilogramm- statt Tonnen-Maßstab möglich.

Die enormen Anforderungen für ein solches Experiment machten einen experimentellen Nachweis der theoretischen Vorhersagen aus den 1970er Jahren für mehr als vierzig Jahre unmöglich. 2017 wurde die kohärente Streuung von Neutrinos an Kernen erstmals im Coherent-Experiment nachgewiesen. Genauere Messungen, unter anderem mit niederenergetischen Reaktor­neutrinos stehen jedoch noch aus. Wissenschaftler des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kern­physik (MPIK) haben sich mit dem Projekt Conus (COherent Neutrino nUcleus Scattering) in Zusammen­arbeit mit dem Kern­kraftwerk Brokdorf dieser Heraus­forderung gestellt. Ein Kern­kraftwerk bietet nämlich ideale Voraus­setzungen für ein Experiment zum Nachweis und Charakterisierung der kohärenten Streuung von Neutrinos an Kernen. Der Reaktor ist eine sehr starke, kontrollierte Neutrinoquelle, und je näher an der Quelle man den Detektor aufbauen kann, desto intensiver ist der Fluss.

Mit dem Kernkraftwerk Brokdorf des Betreibers PreussenElektra GmbH hat das MPIK einen Partner gefunden, der die Forschungs­arbeiten des Instituts aktiv unterstützt und einen Aufbau des Detektors in nur 17 Meter Entfernung vom Reaktor möglich gemacht hat. So steht ein extrem hoher Fluss von 23 Billionen Antineutrinos pro Sekunde und Quadrat­zentimeter aus einem der weltweit stärksten Reaktoren für Messungen zur Verfügung, ohne den Reaktor in irgend­einer Weise zu beeinflussen. Die Kombination mit der speziellen Abschirmung und den optimierten Detektoren macht das Experiment zu einem führenden Projekt auf diesem Gebiet.

Um störende Untergrund­ereignisse, die von kosmischer Strahlung und natürlicher Radio­aktivität herrühren, zu minimieren, verwendet das Conus-Experiment hochreine Halbleiter­detektoren aus Germanium, die von einer Abschirmung aus mehreren Schichten von höchstreinem Blei und mit Bor beladenem Poly­ethylen umgeben sind. Zusätzlich ist der Aufbauort am Reaktor durch Beton und Wasser gegen kosmische Strahlung abgeschirmt. Der restliche Anteil dieser Störstrahlung wird mit einem Veto-System in Echtzeit detektiert und verworfen. Ein kohärent streuendes Neutrino erzeugt im Germanium­detektor eine kleine Ionisation, die durch ein angelegtes elektrisches Feld abgesaugt und von der Detektor­elektronik verstärkt und aufgezeichnet wird. Auf Grund der sehr kleinen Rückstoß­energien wurde dazu die Nachweisschwelle der Germanium­detektoren zu Rekordwerten abgesenkt. Das Design der Abschirmung und des gesamten Detektor­systems basiert auf der langjährigen Erfahrung des MPIK, das weltweit führend auf diesem Gebiet ist.

Nach insgesamt knapp siebzig Tagen effektiver Messzeit mit 3,73 kg aktivem Detektormaterial liegen nun die ersten Ergebnisse vor. Um den Untergrund zu bestimmen und genau zu analysieren, wurden 16 Tage ohne Reaktorbetrieb genutzt. Zwar zeigte sich bisher noch kein Signal der gesuchten kohärenten Neutrino­streuung, es konnte aber die genaueste Obergrenze für die Wahrscheinlichkeit dieses Streu­prozesses bestimmt werden, bei dem Neutrinos mit einer kinetischen Energie von 10 Millionen Elektronen­volt Rückstöße von 1000 Elektronvolt oder weniger erzeugen. Mit einer extrem niedrigen Nachweis­schwelle von rund 300 Elektronenvolt sind die Conus-Detektoren dafür bestens geeignet.

Diese Obergrenze ist eine wertvolle Information für die Neutrino-Grundlagen­forschung. An erster Stelle werden damit bisherige Vorhersagen für die Stärke der kohärenten Neutrino­streuung selbst getestet. Aber auch in der Kosmologie ist diese bei der Suche nach dunkler Materie von großer Bedeutung: Mit zunehmender Empfindlichkeit werden Detektor­systeme für dunkle Materie auch kohärente Streuung von Neutrinos aus natürlichen Quellen (wie etwa der Sonne) nachweisen, die dann einen störenden Untergrund darstellt, der sich nicht abstellen lässt. Die neue Obergrenze lässt bessere Voraussagen zu, wann dieser „neutrino floor“ erreicht wird, für den bisher nur Berechnungen vorliegen.

Kleine Neutrinodetektoren auf der Basis kohärenter Streuung würden auch eine neue Ära der Neutrino­astronomie eröffnen. Eine hochinteressante Neutrino­quelle sind Supernovae, jene gigantischen Explosionen am Ende der Entwicklung sehr massereicher Sterne. Einer Kernkollaps-Supernova geht die Bildung eines Eisenkerns im Zentrum voraus, in welchem weitere Fusions­prozesse keine Energie mehr freisetzen. Der Kern bricht schließlich unter seiner eigenen Masse zusammen und wandelt sich in einen Neutronen­stern oder gar in ein Schwarzes Loch um. Die freigesetzte Gravitations­energie wird zu 99 Prozent in Form von Neutrinos abgestrahlt. Dies geschieht bereits einige Stunden, bevor die Supernova optisch sichtbar wird. 1987 leuchtete in der unserer Galaxis benachbarten Großen Magellanschen Wolke eine Supernova auf – das bisher jüngste Ereignis in unserer näheren kosmischen Umgebung (siehe Anhang). Durch Analyse der damals betriebenen Neutrino­experimente konnten auch die vorher schon freigesetzten Supernova-Neutrinos nachgewiesen werden. Hierfür erhielt Masatoshi Koshiba 2002 den Nobelpreis für Physik.

Der Kollaps bewirkt eine so ungeheure Dichte im Zentrum einer Supernova, dass selbst Neutrinos nicht mehr ungehindert entweichen können. Für die Modellierung dieser Prozesse spielt kohärente Neutrino­streuung eine zentrale Rolle. Zur Beobachtung einer Supernova wie 1987A wäre ein Detektor der 100-Kilogramm-Klasse ausreichend, hierbei käme die kohärente Streuung gleich zweifach zum Tragen: Bei der Entstehung und beim Nachweis. Solche Neutrinodetektoren sind daher ein potenzielles „Frühwarnsystem“ für die Beobachtung von Supernovae.

Eine weitere Eigenschaft kohärenter Neutrino­streuung an Atomkernen ist ihre „Flavour-Unabhängigkeit“. Es gibt drei Sorten von Neutrinos: elektronisch, myonisch und tauonisch. So werden in Experimenten, die nur elektronische Neutrinos sehen, nur rund dreißig Prozent der solaren Neutrinos nachgewiesen. Bei einem Nachweis durch kohärente Streuung würde dies keine Rolle spielen und die Ausbeute wäre entsprechend drei Mal so hoch, was in Kombination mit Oszillations­experimenten sehr hilfreich wäre.

Auch für friedliche kerntechnische Anwendungen sind kohärente Neutrino­detektoren von Interesse: Sie sind klein und mobil und können zur Überwachung eingesetzt werden: In einem laufenden Reaktor liefern sie Echtzeit-Informationen über die Reaktorleistung – thermische Verzögerungen treten hier nicht auf. Eine weitere mögliche Anwendung wäre die Kontrolle der Plutonium-Proliferation.

Mit zusätzlichen Daten und einer optimierten Unterdrückung von Untergrund­ereignissen wird die Empfindlichkeit des Conus-Detektors nun weiter gesteigert. Weil das erwartete Signal nicht weit von den bisherigen Grenzen ist, besteht die realistische Möglichkeit, dass Conus innerhalb der nächsten beiden Jahre weltweit erstmalig Reaktor­neutrinos über den neuen Kanal der kohärenten Streuung an Atomkernen sehen wird. Ferner ist Conus modular aufgebaut und kann daher ohne größere Änderung des Designs erweitert werden. 

MPIK / DE
 

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