Erste Neutrinos aus der Erde nachgewiesen

Freitag, 12. März 2010, 13:18 • Rubrik Physik, Technik.

Den ersten Nachweis schwer fassbarer Elementarteilchen aus dem Erdinnern vermeldet eine internationale Physikergruppe. In einem riesigen Messtank tief unter den italienischen Apenninen beobachteten sie im Laufe von zwei Jahren 15 schwache Lichtblitze, die sehr wahrscheinlich auf “Geo-Neutrinos” zurückgehen.

Foto: Borexino Collaboration

Das Resultat erlaubt Rückschlüsse auf jene Vorgänge, die das Erdinnere heizen und damit nicht nur die Bewegung der Kontinentalplatten antreiben, sondern auch das Erdmagnetfeld als Schutzschild gegen kosmische Strahlung aufrechterhalten.

Geo-Neutrinos sind Antielektron-Neutrinos, die beim Zerfall radioaktiver Kalium-, Uran- und Thoriumisotope im Erdinnern freigesetzt werden. Mit Materie gehen sie nur selten eine Wechselwirkung ein, sondern fliegen meist einfach durch sie hindurch. Gegen dieses geisterhafte Verhalten setzt die internationale Borexino-Kollaboration schiere Detektormasse und extrem strahlungsarme Technik. Auf diese Weise gelang ihr der erste sichere Nachweis von Geo-Neutrinos.

Das Herzstück des Borexino-Detektors sind 278 Tonnen einer organischen Flüssigkeit. Diese schwebt als 8,5 Meter große Kugel in einem großen Wassertank, der sich im Gran-Sasso-Massiv unter mehr als 1.000 Metern Gestein befindet. Kollidiert ein Geo-Neutrino mit einem Proton in der Flüssigkeit, werden ein Antielektron und ein Neutron freigesetzt. Die beiden Teilchen erzeugen Lichtblitze und leuchtende Bremsspuren in der Flüssigkeit, die von mehr als 2.200 hochempfindlichen Lichtdetektoren erfasst werden.

Im Zeitraum von Dezember 2005 bis Dezember 2007 konnten die Forscher 21 Lichtblitze nachweisen, deren Intensität zu einem Antielektron-Neutrino aus dem Erdinnern passt. Fünf dieser Teilchen dürften tatsächlich aus europäischen Kernreaktoren stammen, höchstens eines der Ereignisse dürfte auf Hintergrundstrahlung zurückgehen, schätzen die Physiker in einem online zur Diskussion gestellten Artikel. Das Verhältnis von Signal zu Rauschen sei damit rund einhundert Mal besser als bei einem Experiment in Japan, das erste vage Belege für Geo-Neutrinos hatte liefern können.

Mit ihrer derzeitigen Unsicherheit von etwa einem Drittel passt die Nachweisrate noch zu einer Reihe unterschiedlicher geophysikalischer Modelle, berichten die Forscher. Demnach könnte die Wärmeproduktion im Erdinnern ausschließlich auf radioaktiven Zerfall zurückgehen, ebenso gut aber auch weitere Energiequellen erfordern. Eine klare Grenze setzen die neuen Resultate allerdings möglichen Kettenreaktionen im Erdinnern. Sollte es einen solchen natürlichen Kernreaktor tatsächlich geben, dürfte er eine Leistung von höchstens drei Terawatt haben. Nähere Einsichten kommen im Laufe der Zeit, indem weitere Neutrino-Messungen unter dem Gran Sasso und andernorts eine weitere Eingrenzung der Rate ermöglichen.

Forschung: Michel Obolensky, Laboratoire AstroParticule et Cosmologie, Paris; Kirill Fomenko, Joint Institute for Nuclear Research, Dubna; Giulio Manuzio, Dipartimento di Fisica Università e INFN Genova; Stefan Schönert, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg; und andere

Preprint arXiv:1003.0284

WWW:
Borexino
- The Detector
The Neutrino and Its Friends
Global Heat Flow
Kalium heizt den Erdkern

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