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Solar neutrino problem solved
Sonnenneutrino-Rätsel gelöst
Seit 1968 ergaben alle Messungen der Sonnenneutrinos auf der Erde einen niedrigeren Wert, als von der Theorie gefordert. Jetzt endlich ist klar, dass nicht Ungenauigkeiten im Sonnenmodell, sondern Verwandlungstricks der Neutrinos dahinter stecken.
Von Georg Wolschin
Unsere Sonne ist ein Hauptreihenstern im Stadium stabilen Wasserstoff- Brennens. Quelle der Solarenergie sind Fusionsreaktionen leichter Atomkerne, bei denen wesentlich aus Wasserstoff Helium-4 entsteht. Ausserdem wird jedoch bei verschiedenen Teilreaktionen des solaren Fusionsprozesses ein intensiver Fluss von fast - aber nicht ganz - masselosen, schwach wechselwirkenden Elektron-Neutrinos freigesetzt, der die Sonne mühelos durchdringt, sich auf der Erde - als Signatur der unterschiedlichen Fusionsreaktionen - nachweisen lässt, und so im Prinzip einen lückenlosen Indizienbeweis dafür liefern kann, dass die theoretischen Modellvorstellungen über die Funktionsweise des solaren Fusionsreaktors richtig sind.
Den ersten Versuch, den Neutrino-Fluss von der Sonne zu ermitteln und mit dem theoretisch vorhergesagten Wert zu vergleichen, machten ab 1968 Raymond Davis jr. und seine Mitarbeiter vom amerikanischen Brookhaven-Nationallaboratorium. Sie folgten damit einem Vorschlag des Physikers Bruno Pontecorvo. In einem unterirdischen Tank mit fast 400 000 Litern Perchlorethylen verfolgten sie die Umwandlung von Chlor-37-Atomen in Argon-37. Sie wird allerdings nur durch die relativ energiereichen Neutrinos aus einer Nebenreaktion des solaren Fusionsprozesses ausgelöst: dem Zerfall von Bor-8. Dennoch war das Ergebnis der Messungen eine faustdicke Überraschung und ein großes Ärgernis für die Sonnenphysiker: Davis fand nur etwa ein Drittel des erwarteten Neutrinoflusses.
Und dieses Ärgernis sollte für Jahrzehnte bestehen bleiben. Alle folgenden Experimente bestätigten das Defizit, wenngleich teilweise nicht ganz in derselben Höhe. Mit dem europäischen Gallex-Experiment ließen sich 1992 erstmals auch die niederenergetischen Neutrinos aus dem Hauptzweig der Fusionskaskade messen, und die richtungsempfindlichen japanischen Detektoren Kamiokande und Super-Kamiokande zeigten, dass die nachgewiesenen Teilchen tatsächlich von der Sonne kommen. Eine überzeugende Lösung des Rätsels boten beide Ergebnisse aber noch nicht; auch hier wurden insgesamt viel zu wenig Neutrinos gemessen.
Die Ursache des Problems konnte in Unzulänglichkeiten des Sonnenmodells oder der Teilchentheorien liegen. Im ersteren Fall hätte die Temperatur im Zentrum der Sonne etwas geringer sein müssen als angenommen: Eine Absenkung der Zentraltemperatur von 15,7 Millionen Kelvin um 6 Prozent würde genügen, um den Neutrinofluss auf ein Drittel zu reduzieren und Übereinstimmung mit den Daten zu erzielen. Eine solche Reduktion wäre jedoch nicht plausibel und würde Widersprüche zu anderen Messdaten ergeben, insbesondere zu den sehr genau gemessenen Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Schallwellen in der Sonne. Denkbar war aber auch, dass sich die Elektron-Neutrinos auf dem Weg vom Sonneninnern zur Erde im Verlauf so genannter Oszillationen in andere Neutrino-Arten (Myon- oder Tau-Neutrinos) umwandelten, auf welche die Detektoren nicht ansprachen. Das bedeutete zugleich, dass sie im Widerspruch zu dem gängigen Standardmodell der Teilchenphysik eine von Null verschiedene Ruhemasse haben mussten.
Tatsächlich lieferten Messergebnisse am japanischen Superkamiokande-Detektor 1998 deutliche Hinweise auf Neutrino-Oszillationen (siehe Spektrum 8/1998, Seite 14). Allerdings betrafen diese Resultate zunächst nicht die solaren, sondern die wesentlich energiereicheren "atmosphärischen" Neutrinos, die bei Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung mit der irdischen Lufthülle entstehen. Doch am kanadischen Sudbury-Neutrino-Observatorium SNO gelang 2001 dann der Nachweis, dass sich auch zumindest jene solaren Elektron-Neutrinos, die aus dem Zerfall von Bor-8 stammen, in Muon- oder Tau-Varianten umwandeln können (siehe Spektrum 10/2001, Seite 12). Allerdings mussten für dieses Ergebnis Präzisionsdaten der elastischen Neutrinostreuung am japanischen Superkamiokande-Detektor zum Vergleich herangezogen werden. Dies war ein Manko; denn Messungen mit zwei unterschiedlichen experimentellen Anordnungen an verschiedenen Orten sind möglicherweise nicht ohne weiteres vollständig kompatibel.
Jetzt hat die SNO-Kollaboration um Art McDonald neue Resultate vorgelegt, die den Schluss auf Neutrino-Oszillationen ermöglichen, ohne dass die japanischen Daten als Vergleichsmaßstab benötigt werden. Sie wurden als ein Höhepunkt der Neutrinokonferenz im Mai in München der Öffentlichkeit vorgestellt und sind inzwischen in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" erschienen (Bd. 89, 011301).
Der SNO-Detektor befindet sich in einem über 2000 Meter tiefen Bergwerkstollen und besteht aus einem kugelförmigen Tank mit 1000 Tonnen schwerem Wasser (D_2O), umgeben von 7000 Tonnen normalem Wasser (H_2O) als zusätzlicher Abschirmung. Die solaren Neutrinos werden über ihre Wechselwirkung mit dem Deuterium des schweren Wassers aufgespürt. Zuerst hatten die Forscher eine Reaktion untersucht, in deren Verlauf das einfallende Neutrino das Deuterium in zwei Protonen und ein Elektron aufspaltet. Letzteres lässt sich nachweisen, weil es sich zunächst schneller als Licht in Wasser bewegt und deshalb so genannte Tscherenkow-Strahlung aussendet, die mit einer Anordnung aus 9456 Photomultipliern registriert wird. Die Aufspaltung von Deuterium in zwei Protonen und ein Elektron findet allerdings nur mit Elektron-Neutrinos statt, nicht mit Muon- oder Tau-Neutrinos.
Deshalb betrachteten die SNO-Forscher nun zusätzlich eine andere Reaktion. Dabei wird das Deuterium von einem Neutrino in ein Proton und ein Neutron zerlegt. Letzteres reagiert dann seinerseits mit einem anderen Deuterium zu Tritium (überschwerem Wasserstoff). Gleichzeitig wird ein Gammaquant mit einer Energie von 6,25 Millionen Elektronenvolt (entsprechend einer Wellenlänge von 198 Femtometern) ausgesandt, das zum Nachweis dient. Diese Detektionsmethode ist zwar etwas umständlich und wird durch den Zerfall natürlicher radioaktiver Substanzen wie Wismut-214 und Thallium-208 aus den Uran- und Thorium-Zerfallsketten in den Detektormaterialien erschwert, bei dem im schweren Wasser ebenfalls freie Neutronen entstehen. Dennoch hat sie einen entscheidenden Vorteil: Sie spricht auf Neutrinos aller drei Sorten gleichermaßen an. Der Vergleich der damit erhaltenen Werte mit denen der ersten Messung, die nur Elektron-Neutrinos erfasste, sollte also die Frage eindeutig beantworten, ob Oszillationen bei den Sonnenneutrinos stattfinden.
Und die Antwort ist ein klares Ja. Bei einer Messzeit von 306 Tagen fanden die SNO-Forscher für Neutrinos aus dem Zerfall von Bor-8 einen hochgerechneten Wert von 5,09 Millionen Teilchen pro Quadratzentimeter und Sekunde. Er stimmt innerhalb der systematischen und statistischen Fehlergrenzen sehr gut mit den 5,05 Millionen überein, die sich aus dem Standard-Sonnenmodell bei einer unveränderten Zentraltemperatur von 15,7 Millionen Kelvin ergeben. Damit hat erstmals eine Messung kein Defizit an Sonnenneutrinos ergeben. Noch genauere Resultate verspricht man sich vom jüngsten SNO-Experiment, das bereits seit Juni 2001 läuft. Dabei wurde das schwere Wasser mit Kochsalz (Natriumchlorid) versetzt. Da Chlor-35 die bei der Neutrino-Reaktion freigesetzten Neutronen wirksamer einfängt als Deuterium, entstehen noch mehr nachweisbare Lichtquanten, und die Fehlerschranken werden sich weiter verkleinern lassen.
Hinsichtlich der Oszillationen ist das Ergebnis jedoch jetzt schon überzeugend. Mit ihrer ersten Messmethode haben die SNO-Forscher einen Fluss von 1,76 Millionen Elektron-Neutrinos pro Quadratzentimeter und Sekunde aus dem Zerfall von Bor-8 entdeckt. Der neue Wert für sämtliche Neutrino-Arten von 5,09 Millionen Teilchen pro Quadratzentimeter und Sekunde ist 2,89-mal so groß. Unter der naiven Annahme, dass die drei Neutrino-Sorten maximal mischen und somit eine Gleichverteilung zwischen ihnen entsteht, wäre der Faktor drei zu erwarten. Tatsächlich sind Mechanismus und genaues Ausmaß der Mischung noch keineswegs völlig klar. Über diese Frage wurde auf der Neutrinokonferenz ausführlich und kontrovers diskutiert, zu ihrer Beantwortung werden zusätzliche Experimente mit neuen Detektoren wie Borexino und LENS erforderlich sein. Mit dem endgültigen Nachweis der Oszillationen bei Sonnenneutrinos aber ist ein störender Fleck im physikalischen Weltbild nach Jahrzehnten endlich aus der Welt geschafft.
Bild: Von der SNO-website: SNO
Weitere Abbildungen finden sich auch über die Website der Neutrinokonferenz München,
Ein wissenschaftlicher Beitrag zum Thema ist zu finden auf
Fusionzyklen und stellare Neutrinos
Siehe Spektrum d. Wissenschaft XZ (2002) für den illustrierten und redigierten Artikel.