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03.07.2015:
Geoneutrinos durchleuchten die Erde

Neue Ergebnisse aus 2056 Tagen Neutrino-Beobachtung mit Borexino

Abb. 1: Spektrum der 77 mit Borexino nachgewiesenen Antineutrinos. Grafik: Borexino-Kollaboration.

Abb. 2: Innerer Aufbau der Erde mit den jeweiligen Beiträgen zum Neutrinofluss in Terrestrischen Neutrino-Einheiten (TNU). Grafik: NASA, MPI für Kernphysik.

Die Borexino-Kollaboration hat neueste Ergebnisse aus einer langjährigen Beobachtung von Geoneutrinos vorgestellt. Mit dem 300-t-Flüssigszintillator-Detektor im Gran-Sasso-Untergrundlabor wurden 77 Antineutrinoereignisse registriert, wovon 24 als Geoneutrinos aus dem Zerfall von Uran und Thorium im Erdinneren identifiziert werden konnten. Dabei fand sich ein signifikantes Geoneutrino-Signal aus dem Erdmantel. Der Beitrag von Uran und Thorium zur Erdwärme lässt sich auf ca. 50-75% eingrenzen. [arXiv:1506.04610v2, 16. Juni 2015]

Neutrinos sind nicht nur im Hinblick auf ihre ungewöhnlichen Eigenschaften für die Forschung interessant. Ihr außerordentliches Durchdringungsvermögen und effiziente Nachweismethoden eröffnen die Möglichkeit, sie als Sonden für ansonsten unzugängliche Bereiche zu verwenden, so z. B. das Innere der Sonne oder der Erde. Der Nachweis von Neutrinos ist sehr aufwändig, da diese scheuen „Geisterteilchen“ nur äußerst schwach mit Materie wechselwirken. Ein solcher Neutrino-Detektor wird von der internationalen Borexino-Kollaboration, an der Institutionen aus Italien, Deutschland, den USA, Russland, Frankreich, Polen und der Ukraine beteiligt sind, im italienischen Gran-Sasso-Untergrundlabor betrieben. Aus Deutschland sind neben dem Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) Gruppen von der Technischen Universität München, von den Universitäten Mainz und Hamburg und von der Technischen Universität Dresden beteiligt.

Das mit 300 Tonnen Flüssigszintillator gefüllte Großgerät wurde ursprünglich zum Nachweis niederenergetischer Neutrinos aus der Sonne entwickelt und liefert seit 2007 Daten. „Neben der guten Abschirmung von Störstrahlung zeichnet sich der Borexino-Detektor durch sehr niedrige Radioaktivität dank äußerst hoher Reinheit der verwendeten Materialien aus“, erläutert Werner Maneschg aus der Abteilung von Manfred Lindner (MPIK). „Es handelt sich um den radioaktiv reinsten Platz auf der ganzen Erde.“ Ein weiterer Standortvorteil ist die Abwesenheit naher Kernkraftwerke. Wissenschaftler des MPIK haben entscheidend zur Konzeption und Realisierung von Borexino beigetragen und sind an der Durchführung von externen Kalibrationen sowie der Auswertung und Interpretation der Daten beteiligt. Das MPIK konnte dabei seine Expertise in Low-Level-Messtechniken, der Edelgas-Massenspektrometrie, und in der Reinigung von Gasen einbringen und weiterentwickeln und hat wesentliche Komponenten hergestellt.

Nach dem erfolgreichen Nachweis der Neutrinos aus dem Inneren der Sonne gelang mit Borexino 2010 erstmals die Beobachtung von Antineutrinos aus dem Erdinneren (Geoneutrinos), die anhand ihrer Energieverteilung dem radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium zugeordnet werden konnten. Diese Isotope verraten sich durch die beim radioaktiven Betazerfall entstehenden Antineutrinos, die dank ihres ungeheuren Durchdringungsvermögens die gesamte Erde passieren können und so globale Informationen über den inneren Aufbau der Erde liefern. Es konnte gezeigt werden, dass diese natürliche Radioaktivität eine wesentliche Quelle der geothermischen Energie (Erdwärme) darstellt.

Während der langjährigen Messreihe mit einer Beobachtungsdauer von insgesamt 2056 Tagen wurden bislang 77 Antineutrino-Ereignisse registriert und hinsichtlich der Energie ausgewertet (Abb. 1). Dies erlaubt die Unterscheidung der natürlichen Geoneutrinos (24 Ereignisse) von den – trotz der großen Entfernung – deutlich sichtbaren Reaktorneutrinos. Die verbesserte Statistik erlaubt in Verbindung mit geologischen Modellen zur Verteilung von Uran und Thorium einen neuen detaillierteren Blick in das verborgene Erdinnere (Abb. 2). Der Neutrinofluss wird in sog. Terrestrischen Neutrino-Einheiten (TNU = ca. 1 Ereignis pro Kilotonne Detektormaterial und Jahr) angegeben. Etwas mehr als die Hälfte (53%) der Geoneutrino-Ereignisse stammt demnach aus der Erdkruste und davon die meisten aus einem Umkreis um den Detektor bis zu 500 km Entfernung. Aus der Differenz zum Gesamtfluss lässt sich aus dem Beitrag der Erdkruste der Beitrag aus dem Erdmantel abschätzen, wobei dies aber mit einer recht großen Unsicherheit behaftet ist. Die Konzentration von Uran und Thorium im Mantel ist mehr als einen Faktor 100 geringer als in der Kruste und entspricht etwa der in Meteoriten. Dies stützt die Theorie, dass die Erde vor 4,5 Milliarden Jahren zugleich mit den anderen Himmelskörpern des Sonnensystems entstanden ist.

Aus den Daten ergibt sich ein Beitrag der Radioaktivität von Uran und Thorium zur Erdwärme von 23 bis 36 TW gegenüber einer totalen Heizleistung von 47 TW. Die Unsicherheit liegt im Wesentlichen in der räumlichen Verteilung dieser Radionuklide im Erdinneren sowie im Beitrag von Kalium-40, das sich diesem Nachweis entzieht. (BF)

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Originalpublikation:

Spectroscopy of geo-neutrinos from 2056 days of Borexino data
M. Agostini et. al.
 arXiv:1506.04610v2, 16. Juni 2015

Seite zu Borexino der Abteilung Lindner am MPIK

 Borexino-Kollaboration

Borexino weist erstmals Geoneutrinos nach (MPIK-Presseinformation 15.03.2010)

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Kontakt:

Dr. Werner Maneschg
MPI für Kernphysik Heidelberg
Tel.: +49 6221 516 287
E-Mail:  werner.maneschg(at)mpi-hd.mpg.de

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

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