Sonnen-Geister verwandeln Atome – die erste direkte Beobachtung einer Neutrino-bedingten Kernumwandlung
Tausende von Metern unter der Erdoberfläche, in den chthonischen Tiefen der Erdkruste, haben Wissenschaftler endlich Solar-Neutrinos dabei erwischt, wie sie Kohlenstoff-13 in Stickstoff-13 verwandeln. Es ist das erste Mal, dass diese seltene neutrino-vermittelte Kernreaktion jemals gesehen wurde, und sie offenbart, wie einige der flüchtigsten und ungreifbarsten Teilchen im Universum dennoch Materie umformen können, weit unten im unterirdischen Dunkel, fern von der Oberfläche. „Diese Entdeckung nutzt die natürliche Häufigkeit von Kohlenstoff-13 im flüssigen Szintillator des Experiments, um eine spezifische, seltene Wechselwirkung zu messen“, sagt die Physikerin Christine Kraus vom SNOLAB, dem Neutrino-Observatorium in Kanada, wo die Messung durchgeführt wurde. „Nach unserem Kenntnisstand repräsentieren diese Ergebnisse die niedrigste Energie-Beobachtung von Neutrino-Wechselwirkungen mit Kohlenstoff-13-Kernen bis heute und liefern die erste direkte Querschnittsmessung für diese spezifische Kernreaktion zum Grundzustand des resultierenden Stickstoff-13-Kerns.“
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Die Entdeckung unter Tage am SNOLAB
Neutrinos gehören zu den am weitesten verbreiteten Teilchen im Universum. Sie entstehen in energiereichen Prozessen, wie Supernova-Explosionen und der Kernfusion, die im Herzen von Sternen stattfindet – sie sind also fast überall vorhanden. Allerdings haben sie keine elektrische Ladung, ihre Masse ist nahezu null, und sie interagieren kaum mit anderen Teilchen, die sie treffen. Hunderte von Milliarden Neutrinos strömen durch Ihren Körper und ziehen einfach hindurch – daher der liebevolle Spitzname Geisterteilchen. Aber gelegentlich trifft ein neutrino doch auf ein anderes Teilchen – eine Kollision, die ein schwaches Licht und einen Schauer anderer Teilchen erzeugt. Allerdings sind sie an der Erdoberfläche schwer zu sehen, wo kosmische Strahlung und Hintergrundstrahlung das Signal überdecken. Deshalb befinden sich einige der besten Neutrino-Detektoren tief unter der Erde, wo die Erdkruste selbst als Strahlenschutz dient. Dort sind riesige Kammern mit Photodetektoren ausgekleidet und mit einer flüssigen Szintillator-Flüssigkeit gefüllt, der die winzigen Signale verstärkt, die durch seltene Neutrino-Wechselwirkungen entstehen, die in der vollständigen, stillen Dunkelheit erblühen. Neutrinos, die im Herzen der Sonne erzeugt werden, strömen ständig durch die Erde. Ihre Energien liegen in einem gut bekannten Bereich, der es einfach macht, sie von atmosphärischen und astrophysikalischen Neutrinos zu unterscheiden, die deutlich energiereicher und deutlich seltener sind. Auf der Tiefe von 2 Kilometern im SNOLABs SNO+-Detektor stammen nahezu alle Ereignisse in diesem Energiebereich solarer Herkunft. Unter Leitung des Physikers Gulliver Milton von der University of Oxford im Vereinigten Königreich untersuchte das Forscherteam die SNO+-Daten, die vom 4. Mai 2022 bis zum 29. Juni 2023 gesammelt wurden, auf ein spezifisches Signal, das auf eine Neutrino-Wechselwirkung mit Kohlenstoff-13 in der Szintillatorflüssigkeit hinweist.
Wie der Nachweis funktioniert – Verzögerte Koinzidenz in zwei Schritten
Wenn ein solares Elektronneutrino in einen Kohlenstoff-13-Kern trifft, passiert Folgendes. Die erste ist die Erzeugung eines Elektrons, eines Teilchens mit negativer Ladung, während der Atomkern das Neutrino absorbiert. Im Kern des Kohlenstoffatoms befinden sich 13 Teilchen: sechs Protonen und sieben Neutronen. Die durch die schwache Wechselwirkung ausgelöste Umwandlung eines Neutrons in ein Proton, bei der ein Elektron emittiert wird, findet statt. Mit sieben Protonen statt sechs ist das Atom kein Kohlenstoff mehr, sondern Stickstoff-13, der sieben Protonen und sechs Neutronen hat. Etwa 10 Minuten später zerfällt das resultierende Stickstoff-13 – ein instabiles radioaktives Isotop des Stickstoffs mit einer Halbwertszeit von 10 Minuten – und emittiert ein charakteristisches Positron. Das Ergebnis der Wechselwirkung von Anfang bis Ende ist eine deutlich zweistufige Blitze, bekannt als verzögerte Koinzidenz. Im Wesentlichen können die Forscher ein Elektron gefolgt von einem Positron 10 Minuten später beobachten, als Signatur einer Neutrino-Umwandlung von Kohlenstoff-13 zu Stickstoff-13.
Ergebnisse und Bedeutung – Neue Messgröße und Veröffentlichung
Aus 231 Tagen Beobachtungsdaten identifizierten die Forscher 60 Kandidatenereignisse. Durch ihr statistisches Modell ergaben sich 5,6 neutrino-getriebene Kohlenstoff-zu-Stickstoff-Umwandlungen. Das liegt sehr nahe an den erwarteten 4,7 Ereignissen. „Die Erfassung dieser Wechselwirkung ist eine außergewöhnliche Leistung“, sagt Milton. „Trotz der Seltenheit des Kohlenstoff-Isotops konnten wir seine Wechselwirkung mit Neutrinos beobachten, die im Kern der Sonne geboren wurden und enorme Entfernungen zurückgelegt haben, um unseren Detektor zu erreichen.“ Das Ergebnis ist aufregend. Die Bestätigung theoretischer Vorhersagen ist immer befriedigend, denn es bedeutet, dass die Wissenschaft auf dem richtigen Weg ist. Es ermöglicht auch eine neue Messung der Wahrscheinlichkeit dieser spezifischen niederenergetischen Neutrino-Kohlenstoff-Reaktion. Das bedeutet, dass es einen neuen Maßstab für die Kernphysik setzt, der in zukünftigen Studien nützlich sein wird. „Solarneutrinos selbst waren über viele Jahre hinweg ein faszinierendes Forschungsobjekt, und die Messungen durch unser Vorgänger-Experiment SNO führten 2015 zum Nobelpreis für Physik“, sagt Physiker Steven Biller von der Universität Oxford. „Es ist bemerkenswert, dass sich unser Verständnis der Neutrinos aus der Sonne so weit entwickelt hat, dass wir sie nun erstmals als 'Teststrahl' verwenden können, um andere Arten seltener atomarer Reaktionen zu untersuchen!“ Die Forschung ist in Physical Review Letters veröffentlicht worden.
