SNO+: Reines Wasser entdeckt Antineutrino aus Kernreaktor

Ein Tank mit reinstem Wasser, der unter mehreren Kilometern Gestein in Ontario, Kanada, verborgen liegt, leuchtete kurz auf, als ein kaum nachweisbares Teilchen seine Moleküle durchquerte.

Damit wurde Wasser erstmals eingesetzt, um ein Antineutrino nachzuweisen, das aus einem mehr als 240 Kilometer entfernten Kernreaktor stammte.

Der bemerkenswerte Durchbruch, der in einer 2023 veröffentlichten Studie beschrieben wurde, eröffnet neue Möglichkeiten für künftige Neutrinoexperimente und Überwachungstechnik, die auf preiswerte, leicht verfügbare und sichere Materialien setzt.

Neutrinos und Antineutrinos: Schwer fassbare Geisterteilchen

Neutrinos zählen zu den häufigsten Teilchen im Universum, sind jedoch eigentümliche winzige Objekte mit großem Potenzial, tiefere Erkenntnisse über das Universum zu liefern. Leider besitzen sie nahezu keine Masse, keine elektrische Ladung und treten kaum mit anderen Teilchen in Wechselwirkung. Sie durchdringen Weltraum und Gestein meist, als wäre sämtliche Materie körperlos. Nicht ohne Grund werden sie Geisterteilchen genannt.

Antineutrinos bilden das Antiteilchen-Gegenstück zu Neutrinos. Normalerweise trägt ein Antiteilchen die entgegengesetzte Ladung seines entsprechenden Teilchens: Das Antiteilchen des negativ geladenen Elektrons ist beispielsweise das positiv geladene Positron. Da Neutrinos keine Ladung besitzen, können Forschende beide nur daran unterscheiden, dass ein Elektron-Neutrino zusammen mit einem Positron entsteht, während ein Elektron-Antineutrino mit einem Elektron auftritt.

Elektron-Antineutrinos werden bei einem nuklearen Beta-Zerfall freigesetzt, einer Form radioaktiven Zerfalls, bei der ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino zerfällt. Eines dieser Elektron-Antineutrinos kann anschließend mit einem Proton wechselwirken und dabei ein Positron sowie ein Neutron erzeugen. Diese Reaktion wird inverser Beta-Zerfall genannt.

Große, mit Flüssigkeit gefüllte und mit Photomultiplier-Röhren ausgekleidete Tanks dienen dem Nachweis dieser besonderen Zerfallsart. Sie sollen das schwache Leuchten der Cherenkov-Strahlung auffangen, die von geladenen Teilchen erzeugt wird, wenn sie sich schneller bewegen, als sich Licht in der Flüssigkeit ausbreiten kann – vergleichbar mit dem Überschallknall beim Durchbrechen der Schallmauer. Daher reagieren sie äußerst empfindlich auf sehr schwaches Licht.

Kernreaktoren erzeugen Antineutrinos in enormen Mengen, doch ihre Energie ist vergleichsweise gering, was ihren Nachweis erschwert.

SNO+ und der Nachweis mit reinem Wasser

Hier kommt SNO+ ins Spiel. Die Anlage liegt unter mehr als 2 Kilometern Gestein und ist das weltweit tiefste Untergrundlabor. Diese Gesteinsschicht schirmt Störungen durch kosmische Strahlung wirksam ab, sodass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler außergewöhnlich gut aufgelöste Signale erhalten können.

Der kugelförmige Tank des Labors mit einem Gewicht von 780 Tonnen ist heute mit linearem Alkylbenzol gefüllt, einem flüssigen Szintillator zur Verstärkung von Licht. Während der Kalibrierung der Anlage im Jahr 2018 enthielt er jedoch hochreines Wasser.

Bei der Auswertung der Daten aus 190 Tagen dieser Kalibrierungsphase von 2018 fand die SNO+-Kollaboration Hinweise auf inversen Beta-Zerfall. Das dabei entstehende Neutron wird von einem Wasserstoffkern im Wasser eingefangen, der wiederum bei einem sehr genau definierten Energieniveau von 2,2 Megaelektronenvolt ein schwaches Aufleuchten hervorbringt.

Wasser-Cherenkov-Detektoren haben üblicherweise Schwierigkeiten, Signale unterhalb von 3 Megaelektronenvolt zu erfassen. Das mit Wasser gefüllte SNO+ konnte jedoch bis hinab zu 1,4 Megaelektronenvolt nachweisen. Daraus ergibt sich für Signale bei 2,2 Megaelektronenvolt eine Effizienz von etwa 50 Prozent, weshalb das Team es für lohnend hielt, nach Anzeichen eines inversen Beta-Zerfalls zu suchen.

Die Analyse eines möglichen Signals ergab, dass dieses wahrscheinlich von einem Antineutrino erzeugt worden war – bei einem Konfidenzniveau von 3 Sigma, also einer Wahrscheinlichkeit von 99,7 Prozent.

Das Ergebnis deutet darauf hin, dass Wasserdetektoren zur Überwachung der Stromerzeugung von Kernreaktoren eingesetzt werden könnten.

Unterdessen wird SNO+ genutzt, um Neutrinos und Antineutrinos besser zu verstehen. Da Neutrinos nicht direkt gemessen werden können, ist über sie nur wenig bekannt. Eine der zentralen Fragen lautet, ob Neutrinos und Antineutrinos tatsächlich exakt dasselbe Teilchen sind. Ein seltener, bislang nie beobachteter Zerfall könnte diese Frage beantworten. SNO+ sucht derzeit nach diesem Zerfall.

„Es fasziniert uns, dass reines Wasser verwendet werden kann, um Antineutrinos aus Reaktoren und über so große Entfernungen zu messen“, erklärte der Physiker Logan Lebanowski von der SNO+-Kollaboration und der University of California, Berkeley, im Jahr 2023, als die Ergebnisse vorgestellt wurden.

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

Die Forschung wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.

Eine frühere Fassung dieses Artikels erschien im April 2023.