Kompakter Detektor ermöglicht präzisen Neutrino-Nachweis

HEIDELBERG / LONDON (IT BOLTWISE) – In einem bemerkenswerten Fortschritt in der Neutrino-Forschung haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg mit dem CONUS+ Experiment einen bedeutenden Durchbruch erzielt. Durch den Einsatz eines kompakten Detektors mit nur drei Kilogramm Masse gelang es, Antineutrinos aus einem Kernreaktor nachzuweisen.

Neutrinos, die schwer fassbaren Elementarteilchen, durchdringen die Erde in unvorstellbaren Mengen, ohne dass wir sie bemerken. Jede Sekunde strömen 60 Milliarden von ihnen durch jeden Quadratzentimeter unseres Planeten. Trotz ihrer allgegenwärtigen Präsenz sind sie extrem schwer nachzuweisen, da sie kaum mit Materie interagieren. Jahrzehnte vergingen nach ihrer theoretischen Vorhersage, bis sie erstmals experimentell nachgewiesen wurden.

Traditionell erfordern Neutrino-Experimente riesige Detektoren, um die seltenen Wechselwirkungen dieser Teilchen mit Materie zu erfassen. Doch das CONUS+ Experiment des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg hat gezeigt, dass es auch anders geht. Mit einem Detektor von nur drei Kilogramm Masse konnten die Forscher Antineutrinos aus dem Reaktor eines Kernkraftwerks nachweisen. Diese Leistung wurde durch die Verlagerung des Experiments vom Kernkraftwerk Brokdorf zum Kernkraftwerk Leibstadt in der Schweiz und durch Verbesserungen an den Germanium-Halbleiter-Detektoren ermöglicht.

Ein zentraler Aspekt des Experiments ist die Messung der kohärenten elastischen Neutrino-Kern-Streuung (CEvNS). Bei diesem Prozess interagieren Neutrinos nicht mit einzelnen Nukleonen, sondern kohärent mit dem gesamten Atomkern. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit eines messbaren Rückstoßes erheblich, ähnlich wie ein Tischtennisball, der von einem Auto abprallt. Diese Messung erfordert niederenergetische Neutrinos, wie sie in Kernreaktoren in großer Zahl produziert werden.

Der CEvNS-Effekt wurde bereits 1974 theoretisch vorhergesagt, aber erst 2017 durch das COHERENT-Experiment an einem Teilchenbeschleuniger bestätigt. Das CONUS+ Experiment hat nun erstmals diesen Effekt bei voller Kohärenz und kleineren Energien an einem Reaktor beobachtet. Der Detektor befindet sich nur 20,7 Meter vom Reaktorkern entfernt, wo mehr als zehn Billionen Neutrinos pro Sekunde jeden Quadratzentimeter durchströmen.

Nach einer Messzeit von etwa 119 Tagen konnten die Forscher einen Überschuss von 395±106 Neutrino-Signalen extrahieren, was gut mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmt. Dr. Christian Buck, einer der Autoren der Studie, betont die Bedeutung dieser Ergebnisse für die Entwicklung kleiner, mobiler Neutrino-Detektoren, die zur Überwachung der Reaktor-Wärmeleistung oder der Isotopen-Konzentration eingesetzt werden könnten.

Die Messung von CEvNS bietet einzigartige Einblicke in grundlegende physikalische Prozesse innerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik. Im Vergleich zu anderen Experimenten ermöglicht CONUS+ eine geringere Abhängigkeit von kernphysikalischen Aspekten, was die Sensitivität auf neue Physik jenseits des Standardmodells verbessert. Aus diesem Grund wurde das Experiment im Herbst 2024 mit verbesserten und größeren Detektoren ausgestattet, um noch präzisere Ergebnisse zu erzielen.

Prof. Marcus Lindner vom MPIK sieht in den Techniken und Methoden von CONUS+ ein großes Potenzial für fundamentale neue Entdeckungen. Die bahnbrechenden Ergebnisse könnten den Startpunkt für einen neuen Bereich in der Neutrino-Forschung markieren. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Zeitschrift Nature veröffentlicht.

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