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15.09.2011:
Borexino enhüllt neue Details aus dem Fusionsreaktor Sonne

Erstmals Neutrinos aus seltenem Fusionsprozess nachgewiesen

Abb. 1: Schema des Proton-Proton-Fusionszyklus: Vier Protonen verschmelzen zu einem Heliumkern. Dargestellt ist die Hauptkomponente des Zyklus, die etwa 91% der Fusionsleistung der Sonne ausmacht. Der Rest entfällt auf zwei weitere Teilzyklen mit 7Be- und 8B als Zwischenprodukten, die ebenfalls Neutrinos emittieren. In der linken Schleife ist die übliche Startreaktion (pp), die Verschmelzung zweier Protonen gezeigt. Das Neutrino teilt sich hier die Reaktionsenergie mit einem Positron. Rechts exemplarisch die seltenere pep-Reaktion, die zusätzlich ein Elektron einbezieht. Hier erhält das Neutrino praktisch die gesamte Reaktionsenergie. (Grafik: MPI für Kernphysik)

Abb. 2: Blick in den Borexino-Detektor. Im Innern einer Kugel, die 14 Meter durchmisst, treffen solare Neutrinos auf 300 Tonnen einer speziellen Flüssigkeit und erzeugen dort Lichtblitze, die mit Photovervielfachern aufgenommen werden. (Foto: Borexino-Kollaboration)

Die Borexino-Kollaboration hat mit ihrem 300-Tonnen-Neutrinodetektor im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor neue Einsichten in die Fusionsprozesse im Herzen der Sonne gewonnen. Dank verbesserter Unterdrückung von störenden Hintergrundereignissen konnten erstmals Neutrinos aus der seltenen Fusionsreaktion von zwei Protonen und einem Elektron nachgewiesen werden. Zugleich wurde die bislang strengste Obergrenze für den so genannten Bethe-Weizsäcker-Zyklus bestimmt. Beide Resultate bestätigen die gängigen Modellvorstellungen zur Energieerzeugung der Sonne.

Die scheinbar unerschöpfliche Energiequelle der Sonne, letztlich die Grundlage allen Lebens auf unserem Planeten, hat Menschen seit Jahrhunderten fasziniert. Spätestens seit der Erkenntnis, dass die Erde (und damit das Sonnensystem) mehrere Milliarden Jahre alt ist, wurde klar, dass weder herkömmliche chemische Prozesse noch die Gravitationsenergie einer schrumpfenden Sonne als Energiequelle in Frage kommen, da sie viel zu rasch erschöpft wären. Erst die kernphysikalische Forschung in den 1930er Jahren fand in der Kernfusion von Wasserstoff zu Helium einen Prozess, der genügend ergiebig und nachhaltig ist. Die Sonne erwies sich damit in ihrem Kern als gigantischer Fusionsreaktor, der durch seine eigene Schwerkraft stabilisiert wird. Dabei verschmelzen bei einer Temperatur von ca. 15 Millionen Grad netto jeweils vier Protonen (Wasserstoffkerne) zu einem Heliumkern, bestehend aus zwei Neutronen und zwei Protonen. In dieser Bilanz werden jeweils noch zwei Positronen (Antiteilchen des Elektrons) und zwei Neutrinos freigesetzt.

Die Neutrinos stellen ideale Sonden dar, um näheren Einblick in den solaren Fusionsofen zu gewinnen, da sie dank ihrer schwachen Wechselwirkung mit Materie die Schichten der Sonne nahezu ungehindert durchdringen und direkte Information über die Verhältnisse im Zentrum liefern. Von besonderem Interesse ist dabei die Energie der Neutrinos, welche spezifisch für bestimmte Fusions-Reaktionszyklen sind. Forscher des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik und der Technischen Universität München haben nun zusammen mit ihren Kollegen der internationalen Borexino-Kollaboration mit dem gleichnamigen Neutrinodetektor im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor neue Erkenntnisse über die solaren Fusionszyklen gewonnen.

Nach dem gängigen Sonnenmodell dominiert der so genannte Proton-Proton-Zyklus (Abb. 1), der mit der Verschmelzung zweier Protonen (pp-Reaktion) startet. Die hieraus entstehenden Neutrinos haben recht niedrige Energie und waren daher lange Zeit schwer aufzuspüren. Borexino hat aber in den letzten Jahren unter Einbeziehung der Vorgängerexperimente Gallex/GNO den pp-Neutrinofluss indirekt bestätigt und zwei weitere Komponenten (7Be- und 8B-Neutrinos) aus diesem Fusionszyklus direkt nachgewiesen. Offen blieb noch der Nachweis einer alternativen Startreaktion, bei der zwei Protonen und ein Elektron zu einem Deuteriumkern unter Aussendung eines Neutrinos verschmelzen (pep-Reaktion). Dieses Neutrino hat höhere Energie und lässt sich besser nachweisen, jedoch ist diese Reaktion 400mal seltener, da sich hierfür drei Teilchen treffen müssen. Der pep Neutrinofluss ist von Interesse, da sich daraus der niederenergetische pp-Fluss indirekt ableiten lässt.

Hinzu kam die Frage, wie stark ein weiterer Fusionsprozess, der so genannte Bethe-Weizsäcker- oder CNO-Zyklus, im Sonnenkern ist. Die gängigen Sternmodelle gehen davon aus, dass dieser in der Sonne nur eine marginale Rolle spielt, da er höhere Temperaturen benötigt, wie sie in massereicheren Sternen herrschen. Eine Beobachtung dieses Prozesses in der Sonne wäre der erste direkte Nachweis überhaupt und damit von erheblicher Bedeutung für die Astrophysik.

Zwar durchdringen jeden Quadratzentimeter von uns in jeder Sekunde ca. 60 Milliarden solare Neutrinos, aber aufgrund ihres flüchtigen Verhaltens sind sie wiederum sehr schwer nachzuweisen. Zugleich gilt es, einen Neutrinodetektor vor störenden Strahlungen zu schützen. Das Sonnenneutrino-Experiment Borexino (Abb. 2) befindet sich im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor, wo 1500 Meter Gestein schon einmal einen großen Teil der kosmischen Strahlung abschirmen. Ein schalenförmiger Aufbau, der den inneren Teil von 300 Tonnen einer speziellen Flüssigkeit zum Nachweis der Neutrinos umgibt, hilft, die Umgebungsstrahlung weiter zu reduzieren. Dabei wird auf höchste Reinheit hinsichtlich radioaktiver Stoffe geachtet, welche die Messungen ruinieren würden.
 
Mit Borexino können täglich etwa 50 solare Neutrinos beobachtet werden, aber für den Nachweis der oben erwähnten pep-Neutrinos mussten die Forscher weitere Tricks anwenden. Ein Problem war das radioaktive Kohlenstoff-Isotop C-11, das durch Beschuss mit den wenigen restlichen Myonen aus der kosmischen Strahlung gebildet wird und eine Halbwertszeit von etwa 20 Minuten hat. „Wir können den Ort eines C-11-Kerns lokalisieren und diesen Bereich dann für eine gewisse Zeit von der Datenaufnahme auszuschließen, bis das C-11 sicher zerfallen ist“, so Werner Maneschg, der diese Methode im Rahmen seiner Doktorarbeit am MPI für Kernphysik mitentwickelt hat. „Das übrige Detektorvolumen steht dabei weiter zur Verfügung“.

Für die Identifizierung der C-11 Zerfälle ist es unabdingbar, jene kosmischen Myonen zu erkennen, die diese Kerne erzeugen. Dazu dient ein sogenanntes Myon-Veto, das den eigentlichen Borexino-Detektor vollständig umgibt. Myonen, die das Veto durchqueren erzeugen in ihm elektromagnetische Cherenkov-Strahlung, die von Lichtsensoren nachgewiesen wird. Dieses Detektorsystem wurde von Wissenschaftlern der TU München konzipiert und realisiert. „Die Nachweiseffizienz von Borexino für Myonen liegt über 99,99% und dies ist die Voraussetzung für die erfolgreiche Identifikation der pep-Neutrinos“, so Quirin Meindl, Doktorand am Physik-Department der TU München.

Den Forschern ist es erstmals gelungen, Neutrinos aus der pep-Reaktion zu sehen und die beobachtete Häufigkeit ist in guter Übereinstimmung mit der Vorhersage aus dem Sonnenmodell. Für den Nachweis von CNO-Neutrinos war der Untergrund noch etwas zu hoch, aber immerhin konnte daraus eine neue Obergrenze für den CNO-Prozess ermittelt werden. Dieser wird aber zugänglich, falls es gelingt, die nächsten noch störenden Strahlungsquellen durch verbesserte Reinigungsverfahren zu reduzieren.

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Weitere Informationen:

 Artikel auf arXiv.org

 Borexino-Kollaboration

Abteilung von Prof. Lindner am MPIK

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Kontakt (MPI für Kernphysik):

Dr. Hardy Simgen
Tel.: (+49)6221-516-530
E-Mail:  hardy.simgen(at)mpi-hd.mpg.de

Dr. Werner Maneschg
Tel.: +49 6221 516287
E-Mail:  werner.maneschg(at)mpi-hd.mpg.de

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