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Neutrinophysik

Der leichteste Neutrinodetektor der Welt

Zum ersten Mal beobachten Forscher den Rückstoß eines Atomkerns, nachdem dieser mit einem Neutrino zusammenstieß. Das eröffnet neue Möglichkeiten in der Neutrinophysik.
Neutrinogasse

Neutrinos sind sehr leichte, elektrisch neutrale Teilchen und daher schwierig zu untersuchen. Bereits 1974 sagten Wissenschaftler aber voraus, dass selbst Neutrinos mit Atomkernen wechselwirken. Eine solche Aktion haben jetzt Dmitri Akimov und seinen Kollegen der COHERENT-Kollaboration tatsächlich beobachtet: Sie maßen erstmals den Rückstoß eines Atomkerns, nachdem dieser mit einem Neutrino zusammenstieß. Die Detektion gestaltet sich technisch anspruchsvoll, denn der Gewichtsunterschied zwischen einem Neutrino und einem schweren Atomkern übertrifft den einer Ameise und eines voll beladenen Airbus 380.

Kleinster Neutrinodetektor der Welt
Kleinster Neutrinodetektor der Welt | Zwei stolze Forscher und ein miniaturisierter Neutrinodetektor.

Den Wissenschaftler war es zudem gelungen, ihren im Versuch eingesetzten Detektor drastisch zu verkleinern: Sie streuten Neutrinos an verhältnismäßig großflächigen Atomkernen statt wie bisher üblich an winzigen Elektronen. Dafür mussten sie sich allerdings der Herausforderung stellen, den wesentlich schwächer ausfallenden Rückstoß eines schweren Nuklids statt den eines leichteren Elektrons zu detektieren. Für das Experiment erzeugten die Forscher Neutrinos im Oak Ridge National Laboratory in den USA, indem sie Quecksilberkerne durch Beschuss mit beschleunigten Protonen spalteten. Dabei wurden Neutronen und Neutrinos freigesetzt – um die Neutrinos beobachten zu können, mussten die Wissenschaftler daher zunächst die hoch reaktiven Neutronen durch eine zwölf Meter dicke Wand aus Beton und Kies abschirmen. Der dahintergelegene Detektor bestand aus einem 15 Kilogramm schweren Kristall aus mit Natrium dotiertem Zäsiumjodid, mit dessen Kernen die Neutrinos wechselwirkten: Stießen ein Neutrino und ein Atomkern zusammen, entstanden helle Lichtblitze, die der Detektor verzeichnete.

Die Forscher untersuchten auf diese Weise drei verschiedenen Neutrinotypen. Ihre Messergebnisse decken sich mit theoretischen Vorhersagen. Durch die ermittelten Daten können die Wissenschaftler offenbar Eigenschaften erweiternder physikalischer Theorien einschränken. Gewöhnliche Neutrinodetektoren wiegen bis zu tausenden Tonnen, das neu entwickelte Messinstrument dagegen entspricht mit nur 15 Kilogramm dem Gewicht eines fülligen Dackels. Solche Messapparate könnten Wissenschaftler auch in industriellen Bereichen einsetzen, um beispielsweise Kernreaktoren zu überwachen. Der in "Science" erschienenen Studie zufolge erlaubt die Messmethode zunächst vor allem, Neutrinos genauer zu verstehen und neue physikalische Hypothesen zu testen – etwa jene der sterilen Neutrinos.

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