Der Borexino-Detektor, ein hochempfindliches Instrument tief unter der Erde in Italien, hat endlich die fast unmögliche Aufgabe bewältigt, CNO-Neutrinos aus dem Kern unserer Sonne aufzuspüren. Diese wenig bekannten Teilchen enthüllen das letzte fehlende Detail des Fusionskreislaufs, der unsere Sonne und andere Sterne antreibt, und könnten noch offene Fragen über die Zusammensetzung der Sonne beantworten. Credit: Borexino Collaboration
Ein hochempfindliches Instrument, tief unter der Erde in Italien, hat endlich die fast unmögliche Aufgabe gemeistert, CNO-Neutrinos (winzige Teilchen, die auf das Vorhandensein von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff hinweisen) aus dem Kern unserer Sonne nachzuweisen. Diese wenig bekannten Teilchen enthüllen das letzte fehlende Detail des Fusionskreislaufs, der unsere Sonne und andere Sterne antreibt.
In den Ergebnissen, die am 26. November 2020 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden (und auf der Titelseite abgebildet sind), berichten die Forscher der Borexino-Kollaboration über die ersten Nachweise dieser seltenen Art von Neutrinos, die „Geisterteilchen“ genannt werden, weil sie die meiste Materie durchdringen, ohne eine Spur zu hinterlassen.
Die Neutrinos wurden vom Borexino-Detektor, einem riesigen unterirdischen Experiment in Mittelitalien, nachgewiesen. Das multinationale Projekt wird in den Vereinigten Staaten von der National Science Foundation im Rahmen einer gemeinsamen Förderung unterstützt, die von Frank Calaprice, emeritierter Professor für Physik in Princeton, Andrea Pocar, Absolventin von Princeton im Jahr 2003 und Professorin für Physik an der University of Massachusetts-Amherst, und Bruce Vogelaar, Professor für Physik an der Virginia Polytechnical Institute and State University (Virginia Tech), geleitet wird.
Der Nachweis von „Geisterteilchen“ bestätigt Vorhersagen aus den 1930er Jahren, wonach ein Teil der Energie unserer Sonne durch eine Reaktionskette aus Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff (CNO) erzeugt wird. Diese Reaktion erzeugt weniger als 1 % der Sonnenenergie, aber man geht davon aus, dass sie die Hauptenergiequelle in größeren Sternen ist. Bei diesem Prozess werden zwei Neutrinos – die leichtesten bekannten Elementarteilchen der Materie – sowie andere subatomare Teilchen und Energie freigesetzt. Der häufigere Prozess der Wasserstoff-Helium-Fusion setzt ebenfalls Neutrinos frei, aber ihre Spektralsignaturen sind unterschiedlich, so dass die Wissenschaftler zwischen ihnen unterscheiden können.
„Die Bestätigung des CNO-Brennens in unserer Sonne, wo es nur zu 1 % funktioniert, stärkt unsere Zuversicht, dass wir verstehen, wie Sterne funktionieren“, sagte Calaprice, einer der Erfinder und Hauptforscher von Borexino.
CNO-Neutrinos: Fenster zur Sonne
Sterne gewinnen ihre Energie größtenteils durch die Fusion von Wasserstoff zu Helium. In Sternen wie unserer Sonne geschieht dies vorwiegend durch Proton-Proton-Ketten. In schwereren und heißeren Sternen katalysieren jedoch Kohlenstoff und Stickstoff die Wasserstoffverbrennung und setzen CNO-Neutrinos frei. Der Nachweis von Neutrinos hilft uns, die Vorgänge im Inneren der Sonne zu verstehen. Als der Borexino-Detektor Proton-Proton-Neutrinos entdeckte, erregte die Nachricht die wissenschaftliche Welt.
Die CNO-Neutrinos bestätigen aber nicht nur, dass der CNO-Prozess im Inneren der Sonne abläuft, sondern sie können auch zur Lösung einer wichtigen offenen Frage in der Sternphysik beitragen: wie viel des Sonneninneren aus „Metallen“ besteht, die Astrophysiker als alle Elemente definieren, die schwerer als Wasserstoff oder Helium sind, und ob die „Metallizität“ des Kerns mit der der Sonnenoberfläche oder der äußeren Schichten übereinstimmt.
Leider sind Neutrinos äußerst schwierig zu messen. Mehr als 400 Milliarden von ihnen treffen jede Sekunde auf jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche, doch fast alle dieser „Geisterteilchen“ durchqueren den gesamten Planeten, ohne mit irgendetwas in Wechselwirkung zu treten, so dass die Wissenschaftler gezwungen sind, sehr große und sehr sorgfältig geschützte Instrumente einzusetzen, um sie aufzuspüren.
Der Borexino-Detektor befindet sich eine halbe Meile unter dem Apennin in Mittelitalien, in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) des italienischen Nationalen Instituts für Kernphysik, wo ein riesiger Nylonballon – mit einem Durchmesser von etwa 30 Fuß -, der mit 300 Tonnen hochreinen flüssigen Kohlenwasserstoffen gefüllt ist, in einer mehrschichtigen, kugelförmigen Kammer untergebracht ist, die in Wasser getaucht ist. Ein winziger Teil der Neutrinos, die den Planeten durchqueren, prallt an den Elektronen in diesen Kohlenwasserstoffen ab und erzeugt Lichtblitze, die von den Photonensensoren im Wassertank erfasst werden können. Die große Tiefe, Größe und Reinheit machen Borexino zu einem wirklich einzigartigen Detektor für diese Art von Wissenschaft.
Das Borexino-Projekt wurde in den frühen 1990er Jahren von einer Gruppe von Physikern unter der Leitung von Calaprice, Gianpaolo Bellini von der Universität Mailand und dem verstorbenen Raju Raghavan (damals bei Bell Labs) initiiert. In den letzten 30 Jahren haben Forscher auf der ganzen Welt dazu beigetragen, die Proton-Proton-Kette von Neutrinos zu finden, und vor etwa fünf Jahren begann das Team mit der Suche nach den CNO-Neutrinos.
Unterdrückung des Hintergrunds
„In den letzten 30 Jahren ging es darum, den radioaktiven Hintergrund zu unterdrücken“, sagte Calaprice.
Die meisten der von Borexino entdeckten Neutrinos sind Proton-Proton-Neutrinos, aber einige wenige sind erkennbar CNO-Neutrinos. Leider ähneln die CNO-Neutrinos den Teilchen, die durch den radioaktiven Zerfall von Polonium-210 entstehen, einem Isotop, das aus dem gigantischen Nylonballon austritt. Um die Neutrinos der Sonne von der Poloniumkontamination zu trennen, war eine mühsame Arbeit erforderlich, die 2014 unter der Leitung von Wissenschaftlern aus Princeton begann. Da die Strahlung nicht daran gehindert werden konnte, aus dem Ballon auszutreten, fanden die Wissenschaftler eine andere Lösung: Sie ignorierten die Signale vom kontaminierten äußeren Rand der Kugel und schützten das tiefe Innere des Ballons. Dazu mussten sie die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsbewegung im Ballon drastisch verlangsamen. Da die meisten Flüssigkeitsströme durch Wärmeunterschiede angetrieben werden, bemühte sich das US-Team um ein sehr stabiles Temperaturprofil für den Tank und die Kohlenwasserstoffe, um die Flüssigkeit so ruhig wie möglich zu machen. Die Temperatur wurde durch eine Reihe von Temperatursonden, die von der Gruppe der Virginia Tech unter der Leitung von Vogelaar installiert wurden, genau kartiert.
„Wenn diese Bewegung ausreichend reduziert werden könnte, könnten wir die erwarteten etwa fünf Rückstöße mit niedriger Energie pro Tag beobachten, die auf CNO-Neutrinos zurückzuführen sind“, sagte Calaprice. „Zum Vergleich: Ein Kubikfuß ‚Frischluft‘ – der tausendmal weniger dicht ist als die Kohlenwasserstoff-Flüssigkeit – erfährt etwa 100.000 radioaktive Zerfälle pro Tag, hauptsächlich von Radongas.“
Um die Ruhe in der Flüssigkeit zu gewährleisten, entwickelten Wissenschaftler und Ingenieure aus Princeton und Virginia Tech in den Jahren 2014 und 2015 Hardware zur Isolierung des Detektors – im Wesentlichen eine riesige Decke, die ihn umhüllt – und fügten dann drei Heizkreise hinzu, die eine perfekt stabile Temperatur aufrechterhalten. Damit gelang es zwar, die Temperatur des Detektors zu kontrollieren, aber die saisonalen Temperaturschwankungen in Halle C, in der sich Borexino befindet, verursachten immer noch winzige Flüssigkeitsströme, die das CNO-Signal verdeckten.
So arbeiteten zwei Princeton-Ingenieure, Antonio Di Ludovico und Lidio Pietrofaccia, mit dem LNGS-Mitarbeiter Graziano Panella zusammen, um ein spezielles Luftaufbereitungssystem zu entwickeln, das eine stabile Lufttemperatur in Halle C aufrechterhält. Das Active Temperature Control System (ATCS), das Ende 2019 entwickelt wurde, sorgte schließlich für genügend thermische Stabilität außerhalb und innerhalb des Ballons, um die Strömungen im Detektor zu beruhigen und zu verhindern, dass kontaminierende Isotope von den Ballonwänden in den Kern des Detektors getragen werden.
Die Mühe hat sich gelohnt.
„Die Beseitigung dieses radioaktiven Hintergrunds schuf eine Region mit niedrigem Hintergrund von Borexino, die die Messung von CNO-Neutrinos ermöglichte“, sagte Calaprice.
„Die Daten werden immer besser“
Vor der Entdeckung des CNO-Neutrinos hatte das Labor geplant, den Betrieb von Borexino Ende 2020 einzustellen. Jetzt sieht es so aus, als ob die Datenerfassung bis ins Jahr 2021 andauern könnte.
Das Volumen der stillen Kohlenwasserstoffe im Herzen des Borexino-Detektors hat sich seit Februar 2020, als die Daten für den Nature-Artikel gesammelt wurden, weiter vergrößert. Das bedeutet, dass neben der Entdeckung der CNO-Neutrinos, die Gegenstand des Nature-Artikels von dieser Woche sind, nun auch die Möglichkeit besteht, zur Lösung des „Metallizitäts“-Problems beizutragen – der Frage, ob der Kern, die äußeren Schichten und die Oberfläche der Sonne alle die gleiche Konzentration an Elementen aufweisen, die schwerer als Helium oder Wasserstoff sind.
„Wir haben weiter Daten gesammelt, während sich die zentrale Reinheit weiter verbessert hat, was ein neues Ergebnis, das sich auf die Metallizität konzentriert, zu einer realen Möglichkeit macht“, sagte Calaprice. „Wir sammeln nicht nur weiterhin Daten, sondern die Daten werden immer besser.“
Weitere Informationen zu dieser Forschung:
- Neutrinos liefern erste experimentelle Beweise für den CNO-Energieproduktionsmechanismus des Universums
- Verständnis der „wasserstoffverbrennenden“ Kraft unserer Sonne
Referenz: „Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun“ von The Borexino Collaboration, 25 November 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0
Weitere Princetonianer im Borexino-Team sind Jay Benziger, emeritierter Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen, der die supergereinigte Detektorflüssigkeit entwickelt hat; Cristiano Galbiati, Professor für Physik; Paul LaMarche, jetzt stellvertretender Prorektor für Raumfahrtprogrammierung und -planung, der der ursprüngliche Projektleiter von Borexino war; XueFeng Ding, postdoktoraler wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Physik; und Andrea Ianni, Projektleiter in der Physik.
Wie viele der Wissenschaftler und Ingenieure des Borexino-Kollektivs begannen auch Vogelaar und Pocar ihre Arbeit an dem Projekt in Calaprices Labor in Princeton. Vogelaar arbeitete als Forscher und späterer Assistenzprofessor in Princeton an dem Nylonballon und an der Virginia Tech an der Kalibrierung, Detektorüberwachung, fluiddynamischen Modellierung und thermischen Stabilisierung. Pocar arbeitete am Entwurf und Bau des Nylonballons und an der Inbetriebnahme des Fluid-Handling-Systems in Princeton. Später arbeitete er mit seinen Studenten an der UMass-Amherst an der Datenanalyse und an Techniken zur Charakterisierung des Hintergrunds für das CNO und andere solare Neutrinomessungen.
Diese Arbeit wurde in den USA von der National Science Foundation, der Princeton University, der University of Massachusetts und der Virginia Tech unterstützt. Borexino ist eine internationale Zusammenarbeit, die auch vom italienischen Nationalen Institut für Kernphysik (INFN) und von Fördereinrichtungen in Deutschland, Russland und Polen finanziert wird.