SNO+ weist Antineutrinos mit reinem Wasser nach

Ein Tank mit reinstem Wasser, der unter Kilometern Gestein in Ontario in Kanada liegt, leuchtete kurz auf, als ein kaum nachweisbares Teilchen mit seinen Molekülen kollidierte.

Dabei handelte es sich um den ersten Nachweis eines Antineutrinos mit Wasser. Das Teilchen war von einem mehr als 240 Kilometer entfernten Kernreaktor ausgesendet worden.

Der 2023 in Physical Review Letters beschriebene Durchbruch markierte den ersten Nachweis von Antineutrinos eines weit entfernten Reaktors allein mithilfe von Wasser. Damit eröffnete sich die Möglichkeit für eine neue Generation günstigerer und sichererer Nachweistechnik.

Neutrinos zählen zu den häufigsten Teilchen im Universum. Diese ungewöhnlichen winzigen Teilchen könnten zugleich tiefere Einblicke in das Universum ermöglichen.

Allerdings besitzen sie nahezu keine Masse, tragen keine elektrische Ladung und wechselwirken kaum mit anderen Teilchen. Sie durchqueren sowohl den Weltraum als auch Gestein weitgehend so, als wäre sämtliche Materie körperlos.

Nicht ohne Grund werden sie Geisterteilchen genannt.

Neutrinos und Antineutrinos: schwer fassbare Teilchen

Antineutrinos sind die Antiteilchen zu Neutrinos. Normalerweise besitzt ein Antiteilchen die entgegengesetzte Ladung seines jeweiligen Teilchens: Das Antiteilchen des negativ geladenen Elektrons ist beispielsweise das positiv geladene Positron.

Da Neutrinos keine Ladung tragen, können Forschende beide Varianten nur daran unterscheiden, dass ein Elektron-Neutrino zusammen mit einem Positron entsteht, während ein Elektron-Antineutrino gemeinsam mit einem Elektron auftritt.

Elektron-Antineutrinos werden bei der nuklearen Beta-Zerfall genannten Form radioaktiven Zerfalls freigesetzt. Dabei zerfällt ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino.

Ein solches Elektron-Antineutrino kann anschließend mit einem Proton reagieren und ein Positron sowie ein Neutron erzeugen. Diese Reaktion heißt inverser Beta-Zerfall.

Für den Nachweis dieser speziellen Zerfallsart werden große, mit Flüssigkeit gefüllte Behälter eingesetzt, deren Wände mit Photomultiplier-Röhren ausgekleidet sind.

Sie sollen das schwache Leuchten der Cherenkov-Strahlung erfassen. Diese entsteht durch geladene Teilchen, die sich schneller durch die Flüssigkeit bewegen, als sich Licht darin ausbreiten kann – vergleichbar mit dem Überschallknall beim Durchbrechen der Schallmauer. Deshalb sind diese Detektoren äußerst empfindlich für sehr schwaches Licht.

Kernreaktoren erzeugen Antineutrinos in enormen Mengen. Ihre vergleichsweise geringe Energie macht sie jedoch schwer nachweisbar.

SNO+ und der Antineutrino-Nachweis mit reinem Wasser

Hier kommt SNO+ ins Spiel. Das weltweit tiefste Untergrundlabor liegt unter mehr als 2 Kilometern Gestein. Diese Gesteinsabschirmung hält störende kosmische Strahlung wirksam ab und ermöglicht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern außergewöhnlich gut aufgelöste Signale.

Heute enthält der kugelförmige Tank des Labors mit einem Gewicht von 780 Tonnen lineares Alkylbenzol, einen flüssigen Szintillator zur Lichtverstärkung. Während der Kalibrierung der Anlage im Jahr 2018 war er jedoch mit hochreinem Wasser gefüllt – ein vorübergehender Zustand, der sich wissenschaftlich als wertvoll erwies.

Bei der Auswertung der Daten aus 190 Tagen dieser Kalibrierungsphase von 2018 fand die SNO+-Kollaboration Hinweise auf inversen Beta-Zerfall.

Das dabei erzeugte Neutron wird von einem Wasserstoffkern im Wasser eingefangen. Dadurch entsteht ein sanfter Lichtschein bei einem sehr spezifischen Energieniveau von 2,2 Megaelektronenvolt.

Wasserdetektoren haben üblicherweise Schwierigkeiten, Signale unter 3 Megaelektronenvolt zu erfassen. Der mit Wasser gefüllte SNO+-Detektor konnte jedoch Energien bis hinab zu 1,4 Megaelektronenvolt nachweisen. Für Signale bei 2,2 Megaelektronenvolt ergibt das eine Effizienz von etwa 50 Prozent, weshalb das Team es für lohnend hielt, nach Anzeichen eines inversen Beta-Zerfalls zu suchen.

Die Untersuchung eines möglichen Signals ergab, dass es wahrscheinlich von einem Antineutrino stammte. Das Konfidenzniveau lag bei 3 Sigma – einer Wahrscheinlichkeit von 99,7 Prozent.

Das Ergebnis deutete darauf hin, dass gewöhnliches Wasser eines Tages genutzt werden könnte, um die Leistung von Kernreaktoren aus der Ferne zu überwachen.

„Es fasziniert uns, dass sich reines Wasser einsetzen lässt, um Antineutrinos aus Reaktoren selbst über solch große Entfernungen zu messen“, erklärte der Physiker Logan Lebanowski von der SNO+-Kollaboration und der University of California, Berkeley, im Jahr 2023 bei der Vorstellung der Ergebnisse.

„Wir haben erhebliche Anstrengungen unternommen, um aus 190 Tagen an Daten eine Handvoll Signale herauszufiltern. Das Ergebnis ist erfreulich.“

Präzise Neutrino-Messungen im SNO+-Detektor

Seitdem hat SNO+, das inzwischen in seiner Szintillator-Phase arbeitet, einige der bislang präzisesten Messungen dazu durchgeführt, wie sich Neutrinos während ihrer Bewegung verhalten.

Im Dezember 2025 nutzte ein von der University of Oxford geleitetes Team denselben Detektor, um tief unter der Erde zu beobachten, wie Sonnenneutrinos Kohlenstoff-13-Atome in Stickstoff-13-Atome umwandeln. Dabei verfolgten die Forschenden zwei zusammengehörige Lichtblitze, die durch mehrere Minuten getrennt waren. Dies bestätigte eine der energieärmsten jemals gemessenen Neutrino-Wechselwirkungen.

„Nach unserem Kenntnisstand stellen diese Ergebnisse bislang die Beobachtung von Neutrino-Wechselwirkungen mit Kohlenstoff-13-Kernen bei der niedrigsten Energie dar“, sagte die SNOLAB-Forscherin Christine Kraus.

Da Neutrinos nicht direkt gemessen werden können, ist über sie nur wenig bekannt. Zu den wichtigsten Fragen gehört, ob Neutrinos und Antineutrinos exakt dasselbe Teilchen sind. Ein seltener, bislang nie beobachteter Zerfall könnte diese Frage beantworten. SNO+ sucht weiterhin nach diesem Zerfall.

Die Forschungsergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht.