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Double-Chooz-Detektor gefüllt und Beginn der Messung von Reaktor-Neutrino-Oszillationen

23.12.2010
Kürzlich haben die Wissenschaftler und Techniker der Double-Chooz-Kollaboration ihren Neutrino-Detektor fertig gestellt, der Antineutrinos aus dem Kernkraftwerk Chooz in den französischen Ardennen beobachten wird. Das Experiment kann jetzt mit der Messung fundamentaler Neutrino-Eigenschaften beginnen, was wichtige Konsequenzen für die Teilchen- und Astroteichenphysik haben wird.

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen, von denen es drei Sorten plus Antiteilchen gibt. Sie wurden 1930 vorhergesagt, aber erst 1956 nachgewiesen, weil sie kaum mit anderen Teilchen in Wechselwirkung treten und Materie fast ungehindert durchdringen. Zu ihrem Nachweis sind daher große und empfindliche Detektoren erforderlich.


Überblick über das Double-Chooz-Experiment mit den beiden Detektoren am Kernkraftwerk. (Bild: Double-Chooz-Kollaboration)

Neutrinos haben die merkwürdige Eigenschaft, sich im Flug ineinander umwandeln zu können. Dieser „Neutrino-Oszillation“ genannte Effekt bedeutet, dass Neutrinos im Widerspruch zum Standardmodell der Teilchenphysik eine – wenn auch geringe – Masse haben. Diese bedeutende Entdeckung der späten 1990er Jahre wurde in den Physiknobelpreis 2002 eingeschlossen. Die Oszillationen werden mit drei Mischungsparametern beschrieben, von denen zwei groß sind und bereits gemessen werden konnten. Für den dritten wesentlich kleineren Parameter, „theta13“ genannt, hat das Vorgängerexperiment in Chooz eine obere Grenze gefunden. Der neue Double-Chooz-Detektor ist das erste einer neuen Generation von Reaktorneutrino-Experimenten, die das Ziel haben, diesen fundamentalen Parameter der Neutrinophysik zu messen. Die Messungen sollen grundlegende Eigenschaften der Neutrinos erkunden und sind ein Schlüsselexperiment der teilchenphysikalischen Forschung.

Double Chooz besteht aus zwei identischen Detektoren. Der erste, der etwa 1 km von den Kernreaktoren entfernt ist, wurde nun mit Messflüssigkeit gefüllt und beginnt mit der Datennahme. Die Wissenschaftler vergleichen die gemessene Zahl von Neutrinos mit dem erwarteten Neutrinofluss von den Reaktoren, was den Wert von theta13 schon 2011 deutlich verbessern wird. 2012 soll auch der zweite Detektor, der nur 400 m von den Reaktoren entfernt ist, in Betrieb gehen. Bis dorthin haben die Neutrinos noch kaum Gelegenheit, sich in eine andere Sorte umzuwandeln. Ein direkter Vergleich der Daten beider Detektoren ermöglicht dann eine wesentlich genauere Bestimmung von theta13.

Beide Detektoren benutzen speziell für das Experiment entwickelte organische Flüssigkeiten („Szintillatoren“) als Nachweismedium. Der Szintillator im 10 m3 großen Zentrum des Detektors enthält Gadolinium um die in der Wechselwirkung der Antineutrinos aus den Reaktoren mit Protonen (Wasserstoffkernen) gebildeten Neutronen einzufangen. Dabei entstehen Lichtblitze, die etwas später auftreten als die Lichtblitze vom Zerstrahlen eines in derselben Reaktion entstandenen Positrons mit einem Elektron. Zur Abschirmung ist die Nachweisflüssigkeit von drei Schichten anderer Flüssigkeiten in Nylongefäßen umgeben. Die Lichtblitze werden von 390 empfindlichen Photovervielfachern in elektronische Signale umgewandelt. Das Datenaufnahmesystem wird die nächsten fünf Jahre Signale registrieren und zur Auswertung aufbereiten. So wird die Neutrinophysik, wie schon seit 50 Jahren, eines der fruchtbarsten Gebiete der Teilchenphysik bleiben.

Die Forscher am Max-Planck-Institut für Kernphysik haben mit der Entwicklung der gadoliniumhaltigen Szintillatorflüssigkeit entscheidend zu dem Experiment beigetragen. Sie mussten eine Gadoliniumverbindung finden, testen, herstellen und reinigen, die in der organischen Flüssigkeit löslich und mehrere Jahre stabil ist. In Zusammenarbeit mit japanischen Kollegen haben die MPIK-Forscher außerdem die Photovervielfacher in einem speziell dafür gebauten Teststand geprüft. Diese zentralen Beiträge werden auch für das Verständnis und die Auswertung der Daten eine ganz wesentliche Rolle spielen.

Die Double-Chooz-Kollaboration besteht aus Universitäten und Forschungseinrichtungen in Brasilien, Deutschland, England, Frankreich, Japan, Russland, Spanien und den USA. In Deutschland sind das Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und die Universitäten Tübingen, TU München, RWTH Aachen und Hamburg beteiligt.

Kontakt:

Prof. Dr. Manfred Lindner
Tel.: +49 6221 516800
E-Mail: manfred.lindner@mpi-hd.mpg.de
Dr. Christian Buck
Tel.: +49 6221 516829
E-Mail: christian.buck@mpi.hd.mpg.de

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://doublechooz.org
http://www.mpi-hd.mpg.de/lin/research_dc.en.html

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