Reines Wasser weist erstmals Antineutrinos aus Kernreaktoren nach

Im Jahr 2018 blitzte ein Tank mit reinstem Wasser, der unter mehreren Kilometern Gestein in Ontario, Kanada, vergraben liegt, kurz auf, als ein kaum nachweisbares Teilchen durch seine Moleküle raste.

Damit wurde Wasser erstmals zum Nachweis eines Antineutrinos eingesetzt, das aus einem mehr als 240 Kilometer entfernten Kernreaktor stammte. Dieser bemerkenswerte Durchbruch eröffnet Perspektiven für Neutrinoexperimente und Überwachungstechnik, die auf preiswerten, leicht verfügbaren und sicheren Materialien basiert.

Neutrinos und Antineutrinos als Geisterteilchen

Neutrinos gehören zu den häufigsten Teilchen des Universums, sind jedoch seltsame kleine Objekte, die viel Potenzial für tiefere Einblicke in das Universum bieten. Leider besitzen sie nahezu keine Masse, tragen keine elektrische Ladung und wechselwirken kaum mit anderen Teilchen. Sie durchqueren überwiegend sowohl den Weltraum als auch Gestein, als wäre sämtliche Materie körperlos. Deshalb werden sie auch Geisterteilchen genannt.

Antineutrinos sind die Antiteilchen 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 die beiden nur daran unterscheiden, dass ein Elektronneutrino gemeinsam mit einem Positron entsteht, während ein Elektron-Antineutrino zusammen mit einem Elektron auftritt.

Elektron-Antineutrinos werden bei der nuklearen Betazerfall emittiert, 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 reagieren und dabei ein Positron sowie ein Neutron erzeugen. Diese Reaktion wird inverser Betazerfall genannt.

SNO+ und der Nachweis mit reinem Wasser

Zur Erfassung dieser speziellen Zerfallsart dienen grosse, mit Flüssigkeit gefüllte Tanks, die mit Photomultiplier-Röhren ausgekleidet sind. Sie sollen das schwache Leuchten der Cherenkov-Strahlung auffangen, die entsteht, wenn geladene Teilchen sich schneller durch die Flüssigkeit bewegen, als sich Licht darin ausbreiten kann – ähnlich dem Überschallknall beim Durchbrechen der Schallmauer. Entsprechend empfindlich reagieren sie auf sehr schwaches Licht.

Kernreaktoren erzeugen Antineutrinos in enormen Mengen, doch ihre Energie ist vergleichsweise gering, weshalb ihr Nachweis schwierig ist.

Hier kommt SNO+ ins Spiel. Das weltweit tiefstgelegene Untergrundlabor befindet sich unter mehr als 2 Kilometern Gestein. Diese Gesteinsschicht schirmt Störungen durch kosmische Strahlung wirksam ab und ermöglicht Forschenden, aussergewöhnlich gut aufgelöste Signale zu erhalten.

Heute ist der kugelförmige Tank des Labors mit einem Fassungsvermögen von 780 Tonnen mit linearem Alkylbenzol gefüllt, einem flüssigen Szintillator, der Licht verstärkt. Während der Kalibrierung der Anlage im Jahr 2018 befand sich darin jedoch hochreines Wasser.

Die SNO+-Kollaboration durchsuchte die Daten aus 190 Tagen dieser Kalibrierungsphase von 2018 und fand Hinweise auf inversen Betazerfall. Das dabei erzeugte Neutron wird von einem Wasserstoffkern im Wasser eingefangen, der wiederum ein schwaches Aufleuchten bei einem sehr spezifischen Energieniveau von 2.2 Megaelektronenvolt erzeugt.

Cherenkov-Detektoren mit Wasser haben im Allgemeinen Schwierigkeiten, Signale unter 3 Megaelektronenvolt zu erfassen. Ein mit Wasser gefüllter SNO+-Detektor konnte jedoch bis zu 1.4 Megaelektronenvolt nachweisen. Bei Signalen von 2.2 Megaelektronenvolt ergibt dies eine Effizienz von etwa 50 Prozent, weshalb das Team es für lohnend hielt, nach Anzeichen eines inversen Betazerfalls zu suchen.

Die Auswertung eines Kandidatensignals ergab, dass dieses wahrscheinlich von einem Antineutrino erzeugt wurde, bei einem Vertrauensniveau von 3 Sigma – einer Wahrscheinlichkeit von 99.7 Prozent.

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

Die Suche von SNO+ nach seltenen Neutrinozerfällen

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

„Es fasziniert uns, dass reines Wasser verwendet werden kann, um Antineutrinos aus Reaktoren selbst über solch grosse Entfernungen zu messen“, sagte der Physiker Logan Lebanowski von der SNO+-Kollaboration und der University of California, Berkeley, im März 2023.

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

Die Forschungsarbeit wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.

Eine Fassung dieses Artikels erschien erstmals im April 2023.