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: Flüchtige Boten aus dem Zentrum der Sonne

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In jeder Sekunde durchqueren Abermilliarden von Neutrinos die Erde, ohne irgendwelche Spuren zu hinterlassen oder Schäden anzurichten. Der überwiegende Teil stammt von Kernreaktionen im Zentrum der Sonne, wenn bei einer Temperatur ...

          In jeder Sekunde durchqueren Abermilliarden von Neutrinos die Erde, ohne irgendwelche Spuren zu hinterlassen oder Schäden anzurichten. Der überwiegende Teil stammt von Kernreaktionen im Zentrum der Sonne, wenn bei einer Temperatur von rund 15 Millionen Grad Wasserstoffkerne in mehreren Stufen zu Heliumkernen verschmelzen. Mit voluminösen Wassertanks und riesigen Nachweisgeräten tief unter der Erde versuchen die Physiker, wenigstens einiger der flüchtigen Teilchen habhaft zu werden. In der Vergangenheit hat man sich vor allem auf die energiereichen Teilchen der thermonuklearen Fusionsreaktionen konzentriert, da sie sich anders als die energieärmeren Varianten vergleichsweise leicht nachweisen lassen. Nun ist es einer internationalen Forschergruppe mit einem neuartigen Nachweisgerät gelungen, energiearme Neutrinos aus dem Inneren der Sonne zu registrieren.

          Die Neutrinos bekommen - abhängig von den in unserem Zentralgestirn ablaufenden Prozessen - unterschiedlich viel Energie mit auf ihren Weg durch die Sonne und das All. So entstehen die energiereichen Varianten beispielsweise beim radioaktiven Zerfall von Bor-8-Kernen, wobei lediglich ein Bruchteil der Energie freigesetzt wird. Die wichtigsten solaren Reaktionen - die Fusion von zwei Protonen zu schwerem Wasserstoff oder die Umwandlung von Beryllium-7 in Lithium-7 durch Elektroneneinfang - erzeugen dagegen Neutrinos nur mit geringer Energie. Doch ist der Nachweis der niederenergetischen Varianten ungleich schwerer. Zwar gelingt es mit radiochemischen Verfahren, wie sie etwa die Experimente Gallex und GNO (Gallium Neutrino Observatorium) im Gran-Sasso-Massiv in den Abruzzen verwenden, auch einige der energieärmeren Varianten einzufangen. Eine einzelne Messung dauert aber meist mehrere Wochen. Die Energie der Neutrinos und die Richtung, aus der sie kommen, lassen sich damit nicht ermitteln. Das ist der Vorteil von Echtzeit-Experimenten wie dem Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Kanada oder dem Superkamiokande in der Nähe der japanischen Stadt Kamioka, die die Neutrinos mit gewaltigen unterirdischen Wassertanks aufspüren. Allerdings sind beide Observatorien auf Neutrinos des Bor-8-Zerfalls spezialisiert, die Energien von mehr als fünf Millionen Elektronenvolt besitzen.

          Seit langem ist es das Ziel, die aus dem Berylliumzerfall stammenden Neutrinos, die für den Weg zur Erde knapp acht Minuten benötigen, in Echtzeit nachzuweisen. Diese energiearmen Teilchen haben den entscheidenden Vorteil, dass sie monoenergetisch sind, also stets eine Energie von etwa 863 000 Elektronenvolt aufweisen. Mit ihrem Nachweis ließen sich wichtige Informationen aus dem Zentrum der Sonne gewinnen, die mit energiereichen Neutrinos nur schwer oder gar nicht zugänglich sind.

          Mitte der neunziger Jahre wurde in einem unterirdischen Labor im Gran-Sasso-Massiv mit dem Bau eines neuartigen Detektors begonnen, der vor allem dem Nachweis der flüchtigen Neutrinos des Berylliumzerfalls dient. Mitte Mai dieses Jahres hat das Borexino-Experiment, an dem auch deutsche Wissenschaftler beteiligt sind, schließlich seinen routinemäßigen Messbetrieb aufgenommen.

          Herzstück von Borexino ist eine 8,5 Meter große Nylonblase, die mit 300 Tonnen einer organischen Flüssigkeit gefüllt ist. Die Substanz dient als Szintillatormaterial. Durchqueren Neutrinos aus der Sonne die Flüssigkeit, so werden sie hin und wieder an den Elektronen der organischen Moleküle gestreut. Dabei entstehen Lichtblitze, die von 2200 Photosensoren erfasst werden, die rings um die Nylonblase angeordnet sind. Aus den Lichtblitzen lassen sich Informationen über die Zahl und die Energie der Ereignisse gewinnen sowie über die Richtung, aus der die Teilchen gekommen sind. Auf diese Weise können die Forscher gewissermaßen Schnappschüsse von den Neutrinos machen.

          Diese Nachweistechnik hat den Vorteil, dass sie auch für Neutrinos funktioniert, die nur eine geringe Energie besitzen. Allerdings können die Lichtblitze in der Szintillatorflüssigkeit auch von Teilchen aus der Höhenstrahlung und durch die natürliche Radioaktivität der Umgebung ausgelöst werden. Der Detektor ist deshalb tausend Meter unter der Erde installiert und wie eine Zwiebel aus mehreren Schichten aus Stahl und verschiedenen Flüssigkeiten aufgebaut. Jede Schicht dient dem Zweck, das aktive Detektormaterial im Inneren abzuschirmen. Bei der Auswahl und der Herstellung der Materialien und Flüssigkeiten wurde auf extreme Reinheit geachtet. Die Flüssigkeiten werden von Zeit zu Zeit einem ausgeklügelten Reinigungsverfahren unterworfen. Die Anstrengungen haben nun offenkundig Erfolg gehabt, wie die Forscher im Internet berichten. Seit Messbeginn haben die Forscher im Mittel pro Tag etwa 47 Signale registriert, die offenkundig aus dem Berylliumzerfall stammen.

          Die Teilchenrate entspricht nach Auskunft der Forscher den theoretischen Erwartungen. Die ersten Ergebnisse bestätigten sogar bereits die sogenannte Neutrinooszillation. Danach wechseln die Teilchen auf dem Weg zur Erde ihre Identität, wodurch sie sich dem Nachweis im Borexino-Detektor entziehen. In den kommenden Monaten wollen die Forscher ihre Messungen verfeinern und auch Neutrinos aus der Erde oder von Supernova-Explosionen aufspüren.

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