Blick in die Sonne aus den Tiefen des Gran-Sasso-Massivs: Borexino berichtet über solare Neutrinos

Seit über zehn Jahren erforscht das Borexino-Experiment – im italienischen Gran-Sasso-Gebirgsmassiv 1400 Meter unter der Erdoberfläche gelegen – das Innere unserer Sonne. In dieser Zeit lieferte das Projekt erstaunliche Erkenntnisse darüber, wie die Energiemaschine des Zentralgestirns funktioniert.

Nun haben die beteiligten Wissenschaftler, darunter Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), eine zusammenfassende Analyse ihrer Daten zu solaren Neutrinos veröffentlicht. Neutrinos sind die „Geisterteilchen“ unter den Elementarteilchen, weil sie fast unbemerkt alles durchdringen können und nur schwer nachzuweisen sind. Sie stammen aus verschiedenen Quellen, zum Beispiel aus dem Weltall oder von der Sonne, in diesem Fall „solare Neutrinos“ genannt.

Die jetzige Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Nature fasst nicht nur die Messergebnisse zum Spektrum solarer Neutrinos zusammen, sondern leitet aus ihnen auch Details über die Vorgänge im Kern der Sonne ab – ein Einblick in den Mechanismus, der unsere Sonne während Milliarden Jahren scheinen lässt.

Das Borexino-Experiment befindet sich im Gran-Sasso-Untergrundlabor, das vom italienischen Nationalen Institut für Elementarteilchenphysik (INFN) unterhalten wird. Tief unter der Erdoberfläche sind die Versuchsanlagen weit genug vor der kosmischen Strahlung abgeschirmt, sodass das schwache Signal der solaren Neutrinos im Experiment sichtbar wird. Vor 30 Jahren konzipiert, hat Borexino 2007 mit der Aufzeichnung von Daten begonnen. An der intensiven Kooperation sind Einrichtungen aus Italien, Deutschland, Frankreich, Polen, den USA und Russland beteiligt.

Verständnis von den Vorgängen im Sonneninnern eindrucksvoll bestätigt

Die wissenschaftlichen Errungenschaften des Projekts liegen vor allem in der ausgezeichneten radioaktiven Reinheit des Experiments begründet. Im Vergleich zum umgebenden Gestein enthält das innerste Zentrum der Anlage nur noch kleinste Spuren von natürlicher Radioaktivität: pro Gramm eine Billion Mal weniger Atome der Elemente Uran und Thorium. Diese außerordentliche Reinheit bildet die Basis für eine präzise Vermessung des Energiespektrums der solaren Neutrinos.

Damit lassen sich die Raten der im Sonneninnern ablaufenden Fusionsprozesse bestimmen, die empfindlich von Temperatur und Elementzusammensetzung des Sonnenkerns abhängen. Außer diesem Blick auf die Verhältnisse im Innersten unseres Zentralgestirns liefern die Resultate auch detaillierte Einsichten zu den im Innern der Sonne stattfindenden Neutrino-Oszillationen.

Dieser Vorgang beschreibt die Umwandlung der drei verschiedenen Arten von Neutrinos ineinander – ein Prozess, der für die solaren Neutrinos erst 2001 zweifelsfrei nachgewiesen wurde. „Die Resultate von Borexino gehen weit über die optimistischsten anfänglichen Prognosen hinaus“, kommentiert Gianpaolo Bellini, einer der Väter des Experiments vom INFN, die Nature-Veröffentlichung.

Prof. Dr. Michael Wurm, Physiker an der JGU und Borexino-Partner, sagt: „Die neuen Ergebnisse von Borexino bestätigen unser Verständnis von den Fusionsprozessen im Sonneninneren auf eindrucksvolle Art und Weise. Durch die Messung des gesamten Neutrinospektrums zeigt sich darüber hinaus klar, welchen Einfluss die Sonnenmaterie auf die Oszillationen der produzierten Neutrinos hat.“

Während Neutrinos am unteren Rand des Spektrums die Sonne unverändert verlassen, zeigt sich im oberen Energiebereich ein verstärkter Effekt der Oszillationen.

Die Mainzer Borexino-Gruppe beschäftigt sich vor allem mit dem Untergrund, der durch kosmische Myonen im Detektor erzeugt wird. „Diese Myonen sind die einzigen Teilchen aus der kosmischen Strahlung, die es durch die 1,5 Kilometer dicke Felsabschirmung ins Untergrundlabor schaffen“, so Wurm.

Die Reduktion dieses Untergrunds ist ein entscheidender Beitrag, um den Nachweis der solaren Neutrinos zu ermöglichen. Die Arbeiten der Mainzer Gruppe werden von dem Exzellenzcluster „Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter“ (PRISMA) der JGU unterstützt.

Aus Deutschland sind außerdem die Technische Universität München, das Forschungszentrum Jülich, die Universität Hamburg, die RWTH Aachen und die Technische Universität Dresden an der Borexino-Kollaboration und der aktuellen Nature-Veröffentlichung beteiligt.

Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_etap_borexino.jpg
Innenaufnahme des Borexino-Detektors
Foto/©: Borexino-Kollaboration

Weiterführende Links:
http://www.iph.uni-mainz.de/ – Institut für Physik der JGU
http://www.phmi.uni-mainz.de/7694.php – Prof. Dr. Michael Wurm – PRISMA Professor für Experimentelle Neutrinophysik

Lesen Sie mehr:
http://www.uni-mainz.de/presse/73981.php – Pressemitteilung „Deutsche Forschungsgemeinschaft bewilligt neue Forschergruppe zur Bestimmung der Neutrinomassenhierarchie“ (17.12.2015)
http://www.uni-mainz.de/presse/63709.php – Pressemitteilung „Mainzer Teilchenphysiker an Neutrinoexperiment JUNO beteiligt“ (20.01.2015)

Prof. Dr. Michael Wurm
Experimentelle Teilchen- und Astroteilchenphysik (ETAP)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23928
Fax +49 6131 39-20210
E-Mail: michael.wurm@uni-mainz.de
https://www.etap.physik.uni-mainz.de/research-groups/ex-borexino/

The Borexino Collaboration
Comprehensive measurement of pp-chain solar neutrinos
Nature, 24. Oktober 2018
DOI: 10.1038/s41586-018-0624-y
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0624-y