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Neutrino-Nachweis mit deutlich kleinerem Detektor
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik
astronews.com
5. August 2025
Neutrinos sind ein fundamentaler Bestandteil des
Standardmodells der Teilchenphysik, aber aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften
nur sehr schwer nachzuweisen. In der Regel sind dafür gewaltige Detektoren
nötig. An einem Kernkraftwerk in der Schweiz ist es nun gelungen, Anti-Neutrinos
mit einem deutlich kleineren Detektor zu detektieren.
Neutrinos sind extrem schwer nachweisbare Elementarteilchen. Tag und Nacht
strömen jede Sekunde 60 Milliarden von ihnen von der Sonne durch jeden
Quadratzentimeter der Erde, die für sie durchsichtig ist. Nach der ersten
theoretischen Vorhersage ihrer Existenz vergingen Jahrzehnte, bis sie
tatsächlich nachgewiesen wurden. Diese Experimente sind in der Regel extrem
groß, um der sehr geringen Wechselwirkung der Neutrinos mit Materie Rechnung zu
tragen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für
Kernphysik (MPIK) in Heidelberg ist es nun gelungen, mit dem CONUS+ Experiment
Antineutrinos aus dem Reaktor eines Kernkraftwerkes nachzuweisen, und das mit
einer Detektormasse von nur drei Kilogramm.
Ursprünglich am Kernkraftwerk Brokdorf beheimatet, wurde das CONUS-Experiment
im Sommer 2023 an das Kernkraftwerk Leibstadt (KKL) in der Schweiz verlegt.
Verbesserungen an den jeweils ein Kilogramm schweren
Germanium-Halbleiter-Detektoren sowie die hervorragenden Messbedingungen am KKL
ermöglichten erstmals die Messung der sogenannten "Coherent Elastic
Neutrino-Nucleus Scattering" (CEvNS). Bei diesem Prozess streuen Neutrinos nicht
an den einzelnen Bestandteilen der Atomkerne im Detektor, sondern in sich
zusammenhängend (kohärent) mit dem gesamten Kern. Dies erhöht die
Wahrscheinlichkeit eines sehr kleinen, aber beobachtbaren Kernrückstoßes
erheblich. Dieser Rückstoß durch die Neutrino-Streuung ist vergleichbar mit dem
Abprallen eines Tischtennisballs an einem Auto, wobei der Nachweis in der sich
ändernden Bewegung des Autos besteht.
Im Fall von CONUS+ sind die Streupartner die Atomkerne des Germaniums. Um
diesen Effekt zu beobachten, werden niederenergetische Neutrinos benötigt, wie
sie in Kernreaktoren in großer Zahl produziert werden. Der Effekt wurde bereits
1974 vorhergesagt, jedoch erst 2017 durch das COHERENT-Experiment an einem
Teilchenbeschleuniger erstmals bestätigt. Im CONUS+ Experiment ist es nun
erstmals gelungen, den Effekt bei voller Kohärenz und kleineren Energien an
einem Reaktor zu beobachten. Der kompakte CONUS+ Aufbau befindet sich 20,7 Meter
vom Reaktorkern entfernt. An dieser Position durchströmen jede Sekunde mehr als
zehn Billionen Neutrinos jeden Quadratzentimeter Fläche.
Nach etwa 119 Tagen Messzeit zwischen Herbst 2023 und Sommer 2024 konnten die
Forschenden aus den CONUS+ Daten, nach Abzug aller Untergrund- und Störsignale,
einen Überschuss von 395±106 Neutrino-Signalen extrahieren. Dieser Wert stimmt
innerhalb der Messunsicherheit sehr gut mit theoretischen Berechnungen überein.
"Wir haben damit erfolgreich die Sensitivität des CONUS+ Experimentes sowie
dessen Fähigkeit, Antineutrino-Streuung an Atomkernen nachzuweisen, bestätigt",
erläutert Dr. Christian Buck, einer der Autoren der Studie. Er betont auch die
mögliche Entwicklung kleiner, mobiler Neutrino-Detektoren zur Überwachung der
Reaktor-Wärmeleistung oder der Isotopen-Konzentration als mögliche zukünftige
Anwendungen der CEvNS-Technik.
Die Messung von CEvNS bietet einzigartige Einblicke in grundlegende
physikalische Prozesse innerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik, der
aktuellen Theorie zur Beschreibung des Aufbaus unseres Universums. Im Vergleich
zu anderen Experimenten ermöglichen die Messungen mit CONUS+ eine geringere
Abhängigkeit von kernphysikalischen Aspekten, wodurch die Sensitivität auf neue
Physik jenseits des Standardmodells verbessert wird. Aus diesem Grund wurde
CONUS+ bereits im Herbst 2024 mit verbesserten und größeren Detektoren
ausgestattet. Mit der dadurch erreichten Messgenauigkeit werden noch bessere
Ergebnisse erwartet.
"Die in CONUS+ verwendeten Techniken und Methoden haben ein sehr gutes
Potenzial für fundamentale neue Entdeckungen", betont Prof. Marcus Lindner vom
MPIK. "Die bahnbrechenden CONUS+ Ergebnisse könnten daher den Startpunkt für
einen neuen Bereich in der Neutrino-Forschung markieren." Die Ergebnisse wurden
jetzt in einem Fachartikel beschrieben, der in der Zeitschrift Nature erschienen
ist.
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