Borexino

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Borexino ist ein Experiment der Teilchenphysik, mit dem aus der Sonne stammende Neutrinos niedriger Energie erforscht werden. Die Bezeichnung „Borexino“ ist das italienische Diminutiv von BOREX (Boron solar neutrino experiment).[1] Das Experiment befindet sich in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso und repräsentiert eine internationale Gruppe mit Forschern aus Italien, den Vereinigten Staaten, Deutschland, Frankreich und Russland.[2] Das Experiment wird von verschiedenen nationalen Institutionen wie INFN und NSF finanziert.

Das Borexino-Experiment im September 2015

Der Detektor ist ein Flüssigszintillator, der sich in einer Sphäre aus rostfreiem Stahl befindet, abgeschirmt durch einen Wassertank. Hauptziel des Experiments ist die präzise Vermessung der monoenergetischen Neutrinos von der Sonne, die beim Elektroneneinfang von Beryllium-7 entstehen, um die Ergebnisse mit den theoretischen Vorhersagen zu vergleichen (siehe Artikel über Proton-Proton-Reaktion). Dadurch würden die Forscher die Kernfusionsprozesse im Kern der Sonne besser verstehen, und ebenso sollen damit die Eigenschaften der Neutrinooszillation besser verstanden werden. Andere Ziele des Experiments sind die Messung von Sonnenneutrinos aus Bor-8, pep und CNO. Es sollen auch Antineutrinos aus dem Erdinnern und Atomkraftwerken gemessen werden. Das Projekt könnte auch Neutrinos von Supernovae in der Milchstraße auffinden. Borexino ist Teil des Supernova Early Warning Systems.[3]

Als Teil des Borexino-Experimentes ist momentan das SOX-Projekt zur Suche nach sterilen Neutrinos in Vorbereitung.[4] Dieses Konzept sieht vor eine künstliche Neutrino- bzw. Antineutrinoquelle unterhalb bzw. im Inneren des Detektors zu installieren. Obwohl ein steriles Neutrino nicht an der schwachen Wechselwirkung teilzunehmen vermag, würde es an der Neutrinooszillation teilnehmen. Dies bietet die Möglichkeit ein Oszillationsmuster erstmals im Inneren eines Detektors aufzunehmen.

Sprecher war 1990 bis 2011 Gianpaolo Bellini. Zu den führenden Wissenschaftlern gehört auch Frank Paul Calaprice.

Resultate

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Die grauen Bänder vergleichen die Regionen, in denen die Solar-Neutrino-Teleskope, die in der Lage sind, die Energie der Ereignisse zu messen, empfindlich sind. Zu beachten ist, dass die Vorhersagen von Solarmodellen im logarithmischen Maßstab gegeben sind: Super-Kamiokande und SNO können etwa 0,02 % der Gesamtmenge beobachten, während Borexino jede Art von vorhergesagtem Neutrino aus der Sonne beobachten kann.

Ab Mai 2007 begann der Borexinodetektor mit der Datenaufnahme.[5] Im August 2007 wurden erstmals Beryllium-7-Neutrinos aus der Sonne gemessen, wobei die Messung in Echtzeit erfolgte.[6][7] Die Daten wurden 2008 erweitert und präzisiert.[8]

2010 wurden erstmals Neutrinos aus dem Erdinnern beobachtet. Es handelt sich um Antineutrinos die aus den Zerfällen von Uran, Thorium, Kalium, und Rubidium entstehen.[9][10]

2011 veröffentlichte das Experiment eine Präzisionsmessung von Beryllium-7-Neutrinos aus der Sonne,[11][12] und im selben Jahr Sonnenneutrinos aus pep-Reaktionen.[13][14]

2012 veröffentlichten sie die Resultate von Messungen der Geschwindigkeit von CNGS-Neutrinos von CERN nach Gran Sasso. Die Resultate waren in Übereinstimmung mit der Lichtgeschwindigkeit.[15] Siehe Messungen der Neutrinogeschwindigkeit.

Ende August 2014 veröffentlichte die Borexino Kollaboration die Resultate zur Messung des primären Proton-Proton-Fusionsprozesses in der Sonne.[16] Dies stellt die erste direkte Messung der sogenannten primären pp Neutrinos dar.

2020 gelang es Borexino auch Neutrinos aus dem zweiten Fusionsprozess der Sonne neben dem pp-Prozess, dem CNO-Zyklus nachzuweisen.[17]

SOX-Projekt

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SOX ist das englische Akronym für „short distance neutrino oscillations with Borexino“. Das Projekt sieht vor eine künstliche Antineutrinoquelle im Tunnel unterhalb des Borexino Detektors zu installieren. Die Aktivität des radioaktiven Betastrahlers (Cer-144) wird ca. 100 kCi betragen. Ce-144 zerfällt mit einer Halbwertszeit von ca. 285 Tagen in Praseodym-144. Die lange Halbwertszeit ermöglicht Transport und Installation der Antineutrinoquelle, während der hohe Q-Wert von Pr-144 (oberhalb der Schwelle für den inversen Betazerfall) letztendlich die Antineutrinos zur Detektion liefert. Der Nachweis soll über den inversen Betazerfall erfolgen. Hierbei wird ein promptes Signal, bestehend aus der Positronannihilation, und ein verzögertes Signal durch den Einfang des Neutrons am Wasserstoff detektiert. Dies soll eine besonders untergrundarme Messung ermöglichen.[18][19]
Als weitere Option wird die Installation einer künstlichen Neutrinoquelle (Chrom-51) erwogen.[18] Der Nachweis wird hierbei analog zur Analyse der solaren Beryllium-7-Neutrinos erfolgen.
Der Beginn der Expositionsphase von CeSOX ist für Ende 2016 vorgesehen. Das Projekt wurde inzwischen abgesagt, da die notwendige Neutrinoquelle auf Grund technischer Probleme in der Wiederaufbereitungsanlage Majak nicht geliefert werden kann.[20]

Eine internationale Arbeitsgruppe veröffentlichte am 26. Juli 2019 ein Papier, wonach im Nuklearkomplex Majak im Südural bei der Produktion einer Komponente des Neutrinoexperimentes im Jahre 2017 ein Unfall zu hohen Rutheniumkonzentrationen führte, welche Umweltlabors in vielen Ländern nachwiesen. Die Indizien wiesen schon 2017 darauf hin, dass der Unfall im Zusammenhang mit einer Lieferung des Radioisotops Ce-144 für das Neutrinoexperiment stand. Die Analyse der Arbeitsgruppe bestehend aus 68 Autoren präzisiert diesen Indizienbeweis nun. Russland bestreitet dies jedoch nach wie vor.[21]

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Einzelnachweise

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  1. ↑ Georg G. Raffelt: Stars As Laboratories for Fundamental Physics: The Astrophysics of Neutrinos, Axions, and Other Weakly Interacting Particles. University of Chicago Press, 1996, ISBN 0-226-70272-3, BOREXINO, S. 393–394 (google.com).
  2. ↑ INFN: Borexino Experiment. In: Borexino, Offizielle Internetpräsenz. Abgerufen am 8. Oktober 2022 (englisch).
  3. ↑ Borexino collaboration: The Borexino detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 600. Jahrgang, Nr. 3, 2008, S. 568–593, doi:10.1016/j.nima.2008.11.076, arxiv:0806.2400, bibcode:2009NIMPA.600..568B.
  4. ↑ Borexino collaboration: SOX: Short distance neutrino Oscillations with BoreXino. In: JHEP. 1308. Jahrgang, Nr. 038, 2013, doi:10.1007/JHEP08(2013)038, arxiv:1304.7721.
  5. ↑ The Borexino experiment at Gran Sasso begins the data taking. Laboratori Nazionali del Gran Sasso press release, 29. Mai 2007, abgerufen am 9. Oktober 2012.
  6. ↑ Emiliano Feresin: Low-energy neutrinos spotted. In: Nature news. 2007, doi:10.1038/news070820-5.
  7. ↑ Borexino collaboration: First real time detection of 7Be solar neutrinos by Borexino. In: Physics Letters B. 658. Jahrgang, Nr. 4, 2007, S. 101–108, doi:10.1016/j.physletb.2007.09.054, arxiv:0708.2251, bibcode:2008PhLB..658..101B.
  8. ↑ Borexino collaboration: Direct Measurement of the Be7 Solar Neutrino Flux with 192 Days of Borexino Data. In: Physical Review Letters. 101. Jahrgang, Nr. 9, 2008, S. 091302, doi:10.1103/PhysRevLett.101.091302, arxiv:0805.3843, bibcode:2008PhRvL.101i1302A.
  9. ↑ A first look at the Earth interior from the Gran Sasso underground laboratory. INFN press release, 11. März 2010, abgerufen am 9. Oktober 2012.
  10. ↑ Borexino collaboration: Observation of geo-neutrinos. In: Physics Letters B. 687. Jahrgang, Nr. 4–5, 2010, S. 299–304, doi:10.1016/j.physletb.2010.03.051, arxiv:1003.0284, bibcode:2010PhLB..687..299B.
  11. ↑ Precision measurement of the Beryllium solar neutrino flux and its day/night asymmetry, and independent validation of the LMA-MSW oscillation solution using Borexino-only data. Borexino Collaboration press release, 11. April 2011, abgerufen am 9. Oktober 2012.
  12. ↑ Borexino collaboration: Precision Measurement of the Be7 Solar Neutrino Interaction Rate in Borexino. In: Physical Review Letters. 107. Jahrgang, Nr. 14, 2011, S. 141302, doi:10.1103/PhysRevLett.107.141302, arxiv:1104.1816, bibcode:2011PhRvL.107n1302B.
  13. ↑ Borexino Collaboration succeeds in spotting pep neutrinos emitted from the sun. PhysOrg.com, 9. Februar 2012, abgerufen am 9. Oktober 2012.
  14. ↑ Borexino collaboration: First Evidence of pep Solar Neutrinos by Direct Detection in Borexino. In: Physical Review Letters. 108. Jahrgang, Nr. 5, 2011, S. 051302, doi:10.1103/PhysRevLett.108.051302, arxiv:1110.3230, bibcode:2012PhRvL.108e1302B.
  15. ↑ Borexino collaboration: Measurement of CNGS muon neutrino speed with Borexino. In: Physics Letters B. 716. Jahrgang, Nr. 3–5, 2012, S. 401–405, doi:10.1016/j.physletb.2012.08.052, arxiv:1207.6860, bibcode:2012arXiv1207.6860B.
  16. ↑ Borexino collaboration: Neutrinos from the primary proton–proton fusion process in the Sun. In: nature. 512. Jahrgang, Nr. 7515, 2014, doi:10.1038/nature13702.
  17. ↑ Borexino Collaboration: Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun, Nature, Band 587, 2020, S. 577–582
  18. ↑ a b Mikko Meyer: Search for Sterile Neutrinos with the Borexino Detector. In: DESY-PROC-2014-4. 2014, doi:10.3204/DESY-PROC-2014-04/7.
  19. ↑ M. Pallavicini: The SOX project: a search for sterile neutrinos with BoreXino. In: PoS Neutel2013 (2013) 026. 2013.
  20. ↑ Christoph Seidler: Ruthenium: Das Physik-Experiment und die Strahlenwolke. In: Spiegel.online. 16. Februar 2018, abgerufen am 18. März 2018.
  21. ↑ Analyse der Ruthenium-Wolke von 2017 - "Europa zeigt nicht mit dem Finger auf Russland". Abgerufen am 29. Juli 2019 (deutsch).
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