Teilchensuche – Den Sonnen-Neutrinos auf der Spur

Liebe Leserinnen und Leser,
Am 16.09.2019 machte das Messinstrument KATRIN Schlagzeilen.
Da dieses am KIT steht und ich als Mitarbeiter des KIT darauf irgendwie stolz bin, möchte ich hier auch etwas zum Thema Neutrinoforschung auf dem Blog beitragen.

KATRIN ist ein Messinstrument wie ein Hochhaus, das so groß ist, dass man es über 8500 km hinweg um den ganzen Kontinent herum von Bayern per Schiff nach Karlsruhe schaffen musste, weil es auf dem Landweg nicht am Stück auf die Straßen gepasst hätte.
So ein riesiges Instrument wird dazu benutzt, um das kleinste Teilchen, das Neutrino zu wiegen.
Das kleinste Teilchen, das so klein und leicht ist, dass es fast nie irgendwo anstößt und mühelos die Erde, unseren Körper durchdringt. Milliarden dieser Teilchen treffen in jeder Sekunde auf jeden Quadratzentimeter unseres Körpers und wir merken nichts davon.
Bei Kernverschmelzung wie im Innern unsere Sonne, bei Sternexplosionen, Supernovae entstehen riesige Mengen dieser Geisterteilchen.
Das Universum ist voll davon. Es sollten sogar noch welche durchs All vagabundieren, die uns vom Urknall erzählen können.
Mit Katrin soll Klarheit darüber geschaffen werden, wie viel Masse Neutrinos denn nun besitzen. Noch ist die Masse nicht bestimmt, aber eine Obergrenze, die sie nicht übersteigen dürfte.
Aber, bevor man die Dinger wiegen kann, muss man sie erst mal finden. Darum geht es heute:

Lange Zeit war überhaupt nicht klar, ob Neutrinos eine Ruhemasse besitzen oder wie Photonen (Lichtteilchen) nicht. Diese Frage führt uns direkt zu unserer Sonne.
Aber der Reihe nach:

Der Name leitet sich da her, dass das Neutrino elektrisch neutral ist.
Es wechselwirkt quasi mit nichts und dennoch wird ein erheblicher Teil der Energie, die in unserem Kernfusionsreaktor Sonne, entsteht, von ihnen davon getragen.
Es gibt drei Arten von Neutrinos, Elektron- Myon- und Tau-Neutrinos.
Wenn es uns denn mal gelingt, mit einem Detektor eines einzufangen, dann erzählt es uns, wo es her stammt

• kosmischen Neutrinos (Weltall)
• solaren Neutrinos (Sonne)
• atmosphärischen Neutrinos (Erdatmosphäre)
• Geoneutrinos (Erdinneres)
• Reaktorneutrinos (Kernreaktoren)
• Neutrinos aus Beschleunigerexperimenten

Zunächst wurde das Neutrino, wie so vieles in der Physik nur postuliert, weil man es noch nicht nachweisen konnte.
Betrachtet man den radioaktiven Beta-Zerfall mancher Elemente, ein Neutron zerfällt zu einem Proton, einem Elektron und, ja zu was denn noch?
Man stellte fest, dass etwas fehlt. Die Bruchstücke des zerfallenen Atomkerns waren leichter, als ein kompletter Kern. Diese winzige fehlende Masse oder diese Energie, muss von etwas davon getragen worden sein, was man nicht messen konnte.
Auch die kinetische Energie der zerfallenen Teile war immer etwas kleiner, als sie hätte sein sollen.
1933 postulierte Wolfgang Pauli daher dieses Teilchen. Manche kennen diesen Pauli vielleicht noch aus dem Chemieunterricht als Pauli-Prinzip.
Auch bei der Kernverschmelzung geht die Bilanz nur mit Neutrinos auf, die entstehen und Energie davon tragen.
Also machte man sich daran, verschiedene Detektoren zu bauen, um Neutrinos nachzuweisen.

Alle Detektoren basieren auf der Tatsache, dass es ganz selten halt doch passiert, dass ein Neutrino ein Atom anrempelt. Das führt entweder zu einem kleinen Blitz, z. B. bei Wasser- oder Eis-Dbasierten Detektoren, wie dem Ice-Cube in der Antarktis, bzw. das angestoßene Atom nimmt die Energie des Neutrinos auf, und verwandelt sich in ein anderes Element. Ich wusste bis etwa Mitte der 90er Jahre nichts von Neutrinos und schon gar nicht, wie man sie nachweisen kann. Da hörte ich, dass sie im Kern unserer Sonne entstünden und dass deutlich mehr davon entstehen sollten, wie man nachgewiesen hatte.
Das Buch “Den Geheimnissen der Sonne auf der Spur” von Prof. Rudolf Kippenhahn, war an dieser Stelle unglaublich erhellend für mich.

Ein Element, womit Neutrinos manchmal wechselwirken ist das Chlor-Isotop CL37
Es ist etwas schwerer, als das uns bekanntere CL35, weil es zwei Neutronen mehr in seinem Kern hat. Neutronen verändern die chemischen Eigenschaften von elementen quasi nicht.
Manchmal nimmt nun so ein Chlor37-Atom ein Neutrino bestimmter Energie auf, und verwandelt sich unter Abgabe eines Elektrons in ein Argon-Atom. Das ist ein Edelgas.
Darauf beruhte ein Experiment, das den Astrophysikern lange
Sorgen bereitete. In einem großen Tank war Chlor in Form der Verbindung Perchloräthylen den Neutrinos der Sonne ausgesetzt. Der Stoff ist eine Flüssigkeit, die man hauptsächlich in der Reinigungsindustrie verwendet, ähnlich dem uns bekannteren Tetrachlorkohlenstoff.
Raymond Davis von der Universität von Maryland, der dieses Experiment entwickelt hat, verwandte 38000 Liter dieses Stoffes.
Da auch andere Strahlung ungewollt diese Reaktion auslösen können, schirmte man den Tank ab, indem man ihn in eine aufgelassene Goldmine, etwa 1500 m unter die Erdoberfläche packte. Nur Neutrinos können so eine dicke Schicht ungehindert durchqueren.
Außerdem war der Tank noch mit einem Wassertank umgeben, da Wasser ganz gut gegen Strahlung isoliert.
Welche Energie ein sog. Sonnenneutrino ungefähr haben könnte, erfuhr man durch Sonnen-Simulationen im Computer.
Da Neutrinos nur dort entstehen, wo die Kernfusion stattfindet, würde man, gäbe es ein Neutrinoteleskop, die Sonne nur als Scheibchen eines Zehntels der sichtbaren, wahrnehmen. So ein Teleskop wird es nie geben. Somit können wir nicht in die Sonne hinein schauen.
Man konnte nun auf das Modell basierend festlegen, wieviele Neutrinos dieser bestimmten Sorte ungefähr von unserer Sonne zu erwarten wäre. Die meisten verfehlen den Detektor natürlich, bzw. gehen durch ihn hindurch, ohne mit einem Cl-Atom zu reagieren.
Leider reagiert das Cl37 nur auf hochenergetische Neutrinos, die nicht von dem Prozess her rühren, der die meiste Energie erzeugt, der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium. Für diese niderenergetischen Neutrinos ist das Cl37 blind.

Diese Neutrinos bei denen Chlor funktioniert, machen nur etwa 1,5 % des Neutrinostromes aus, der von der Sonne kommen sollte.
Interessant ist an dieser stelle z. B., wie man in 650 Tonnen Perchloräthylen nach
35 Argonatomen suchen soll.
Lange Rede, kurzer Sinn. Selbsd, wenn man alle möglichen statistischen Fehler einbezog, kamen nach sieben Jahren Laufzeit nur ein fünftel des erwarteten Neutrino-Werts heraus.
Da die Sonnenmodelle außer den Neutrinos im wesentlichen alle Eigenschaften des Sterns richtig widerspiegelten, konnte ja auch etwas am Experiment falsch sein.
Aber auch andere Experimente, z. B. mit Wasserdetektoren zeigten alle zu wenige Neutrinos von der Sonne an.
Verständlicherweise versuchte man nun an verschiedenen Parametern der Modelle zu drehen, was ich uns an dieser Stelle erspare, aber es half nichts und machte das Modell im Grunde schlechter.

Heute weiß man, dass das Defizit der Neutrinos da her rührt, dass Neutrinos eine Ruhemasse haben müssen. Sie können sich auf ihrem Weg von einer Sorte in eine andere verwandeln.
Das bedeutet, dass viele Sonnenneutrinos bei uns als etwas anderes ankommen, als wonach wir suchen und worauf unser Detektor reagiert.
Diese sog. Fähigkeit zu oszilieren funktioniert nur dann, wenn man eine Ruhemasse zugrunde legt. Wie groß diese ist, wissen wir noch nicht. Wir wissen seit KATRIN bis jetzt nur, dass sie nicht größer als ein Elektronenwolt sein sollte. Früher ging man von 2 Ev aus. Somit ist man jetzt schon doppelt so gut, als vorher. Diese Erkenntnis stammt genau aus dem KATRIN-Messinstrument, das hier in Karlsruhe steht.
Wir dürfen gespannt sein, was hier noch geschieht.

Ihr findet hier einige super spannende Links, die alles wesentliche zu KATRIN erklären. Es lohnt sich, hier mal rein zu schauen.
Ein schönes Youtube-Video über die Geschichte und den Aufbau gibt es hier.
Eine Meisterleistung der KIT-Pressestelle findet ihr hier.
Alle guten Dinge sind drei.
Eine Radiosendung des SWR würdigt dieses Ergebnis ebenfalls.

Und damit verabschiede ich mich für heute und hoffe, dass der Artikel etwas Freude macht.

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