Neutrinos In Szintillationsgewittern

Warum ist die Erde innen heiß? Unter anderem deswegen, weil sie strahlt. Die kosmische Wolke, aus der sie einst entstand, enthielt radioaktives Material, von dem noch heute allerhand übrig ist. Seine Wärmeleistung entspricht in etwa der von 19 Millionen Tonnen frisch abgebrannten Reaktorbrennstäben.

Die Energie stammt überwiegend aus dem Zerfall von Uran-238 und Thorium-232 und produziert mindestens die Hälfte der gesamten Erdwärme, die unseren Planeten beispielsweise durch Vulkanschlote irgendwann auch wieder verläßt. Wärme ist so ziemlich das einzige, was man an der Oberfläche von den profunden Kernzerfällen merkt. Allerdings wissen die Physiker schon lange, daß da noch etwas aufsteigen muß: Neutrinos.

Diese Elementarteilchen tragen keine elektrische Ladung und sind auch sonst äußerst unwillig, mit irgend jemandem in Wechselwirkung zu treten. Anders als Alpha-, Beta- oder Gammastrahlen, die schon in wenigen Zentimetern Erdgestein hängenbleiben, dringen Neutrinos fast ungehindert selbst durch planetare Massenansammlungen. Aber gerade das macht es den Forschern höllisch schwer, sie zu untersuchen. Wie schwer, das vermittelt schon die Länge der Liste von immerhin 87 Physikern, die vergangene Woche in Nature den ersten Nachweis von Neutrinos geologischen Ursprungs vermeldeten.

Erfolg nach zwei Jahren

Über zwei Jahre hatten sie eine Falle beobachtet, die sie eigens für "Elektron-Antineutrinos" aufgestellt hatten - jene Sorte, die bei den Zerfällen natürlicher Radioisotope entstehen. Die Falle heißt "Kamland" (für Kamioka liquid scintillator antineutrino detector) und ist eine hausgroße Apparatur, die zum Schutz vor störender kosmischer Strahlung tief unter einem Berg nahe Kamioka auf der japanischen Insel Honshu installiert wurde. Ein paar Handvoll Geoneutrinos blieben darin hängen.

Das klingt nach wenig, stößt aber ein Fenster zu einem Weltwinkel auf, zu dem ein direkter Zugang bisher fehlte. Die Neutrinos, die man bist dato vermessen hat, stammen aus Teilchenbeschleunigern, Kernreaktoren und der Sonne, die dank der Fusionsprozesse in ihrem Inneren eine so intensive Neutrinoquelle ist, daß jeder Quadratzentimeter unserer Haut pro Sekunde von 30 Milliarden dieser Teilchen getroffen wird. Bei den Sonnenneutrinos war man zuerst auf eine weitere merkwürdige Eingenschaft der Neutrinos gestoßen: Sie wechseln während des Fluges periodisch ihre Identität. Der Kamland-Detektor wurde vor allem gebaut, um solche Oszillationen an Elektron-Antineutrinos aus nahen Kernreaktoren nachzuweisen - was Ende 2002 auch gelang.

Neutrinos aus Uran- und Thoriumzerfällen haben tendenziell etwas weniger Energie als die Reaktorneutrinos, sollten den Detektor aber in etwa derselben Zahl treffen - gut fünf Millionen pro Quadratzentimeter und Sekunde. Also sollten sie mit Kamland auch nachweisbar sein. Doch das war kniffliger als gedacht. "Wir hatten mit dieser Veröffentlichung schon vor einem Jahr gerechnet" sagt Lothar Oberauer von der Technischen Universität München. "Aber erst jetzt hat man den Untergrund verstanden."

152 Ergebnisse, 80 durch Neutrinos

Was Oberauer "Untergrund" nennt, ist die große Geißel der Neutrinoforschung: Dreckeffekte, die falsche Detektionen vorgaukeln. Tatsächlich gab es insgesamt 152 Meßereignisse, die aussahen, als stammten sie von Geoneutrinos. Davon konnten nur etwa 80 in Wahrheit von Neutrinos aus Kernreaktoren verursacht sein. Aber die verbleibenden Ereignisse waren immer noch zu viele: Wären es wirklich alles Neutrinos aus Uran- und Thorium-Zerfällen gewesen, müßte unsere Erde radioaktiver sein, als ihre geschätzte Wärmeabstrahlung (zwischen 30 und 45 Billionen Watt) zuläßt. Irgend etwas stimmte also nicht.

Dabei hat man den Untergrund bei sogenannten Szintillationsdetektoren wie Kamland eigentlich besonders gut im Griff. Als Neutrino-Falle dient ein kugelrunder Tank mit 1000 Tonnen einer Mischung aus 80 Prozent Dodekan, einer benzinähnlichen Flüssigkeit, und 20 Prozent Trimethylbenzol sowie einer Substanz namens 2,5 Diphenyloxazol. Dodekan enthält einen hohen Anteil Wasserstoffkerne, auch Protonen genannt, und die fangen sich - sehr selten, aber hin und wieder eben doch - ein Elektron-Antineutrino ein. Dabei verwandelt sich ein Proton unter Emission eines Positrons in ein Neutron. Das energiereiche Positron regt nun das Trimethylbenzol zum Leuchten oder "Szintillieren" an. Das Licht wird durch das zugesetzte Diphenyloxazol zu längeren Wellenlängen verschoben, für welche die Flüssigkeit durchsichtiger ist. Während der Szintillationsblitz des Positrons sogleich von rund um den Tank angeordneten Photodetektoren registriert wird, schwirrt das Neutron weiter, bis es so weit abgebremst ist, daß es von einem anderen Proton eingefangen wird und dabei Gammastrahlung aussendet. Diese bringt die Detektorflüssigkeit ebenfalls zum Szintillieren.

Der Witz ist nun, daß zwischen dem Szintillationsblitz des Positrons und dem des Neutrons im Mittel 200 Mikrosekunden vergehen. Diese Verzögerung ist charakteristisch für die Produkte eines Neutrinoeinfangs. Dadurch kann man das seltene Ereignis aus dem Szintillationsgewitter, das Störstrahlung in dem Detektor veranstaltet, sehr effizient herausfiltern.

„Die Messungen werden genauer“

Dummerweise gibt es einen anderen Effekt, der ebenfalls zwei Lichtblitze im Abstand von etwa 200 Mikrosekunden erzeugt: ein Kernprozeß, der im Verlauf des Zerfalls des allgegenwärtigen Isotops Radon-222 auftritt. "An diesen Effekt hatte man schlicht nicht gedacht", sagt Oberauer. Erst als man ihn berücksichtigte, ergaben sich Zahlen für Geoneutrinos, die mit den geowissenschaftlichen Befunden in Einklang standen.

Aus solchen Neutrinodaten können die Geologen natürlich noch nichts Neues lernen. Dennoch ist etwa Bill McDonough von der University of Maryland von den Kamland-Resultaten sehr angetan. "Die Messungen werden genauer werden", sagt McDonough und hofft, daß Geoneutrinos einmal direkte Informationen über die chemischen Verhältnisse im Erdinneren liefern.

Zunächst wäre eine genauere Kenntnis der Verteilung von Uran und Thorium von Interesse. Erste Auskünfte hoffen Neutrinojäger wie Lothar Oberauer bald geben zu können. Der junge Physikprofessor ist Teil des Teams, das im Gran-Sasso-Tunnel bei Rom bald einen weiteren Szintillationsdetektor in Betrieb nehmen wird. Der wird unter dem Namen "Borexino" zwar vorrangig nach einem selteneren Typ von Sonnenneutrinos suchen. Dabei dürften aber auch Geoneutrinos ins Netz gehen - in einer geologisch anderen Umgebung als in Japan. "Dennoch sind wir noch weit davon entfernt, mittels Neutrinos geologische Modelle zu beweisen oder zu widerlegen", sagt Oberauer. Eine gewisse Chance dazu hätte man mit größeren Detektoren, mit denen sich auf die Flugrichtung der Neutrinos und damit auf die von Uran und Thorium bevorzugten Erdzonen schließen ließe.

Noch lieber wäre es den Forschern freilich, wenn es ihnen möglich wäre, Neutrinos aus Zerfällen des Isotops Kalium-40 nachzuweisen. Als Bestandteil von Feldspat-Mineralen ist Kalium viel verbreiteter als Uran oder Thorium. Zudem wird spekuliert, daß es auch im flüssigen äußeren Erdkern vorkommt und dort an dem Mechanismus beteiligt ist, der das Erdmagnetfeld erzeugt. Aber leider haben die Neutrinos aus Kalium-40-Zerfällen zuwenig Energie, um in Szintillations-detektoren wie Kamland oder Borexino nachgewiesen zu werden. Und in anderen Nachweisverfahren würden die Geoneutrinos vom Rauschen des Untergrundes verschluckt. "Das ist ewig schade", sagt Oberauer, "hier bräuchten wir eine neue Idee. Wenn irgend jemand eine hat, möge er sich doch umgehend bei mir melden."