Die Kraft der “Wasserstoffverbrennung” unserer Sonne verstehen – Erfolg nach mehr als 80 Jahren.

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Der Borexino-Kollaboration, an der auch Wissenschaftler der TU Dresden beteiligt sind, ist es nach mehr als 80 Jahren gelungen, den Bethe-Weizsäcker-Zyklus experimentell zu bestätigen.

Sterne erzeugen ihre Energie durch Kernfusion, indem sie Wasserstoff in Helium umwandeln – ein Prozess, der den Forschern als “Wasserstoffverbrennung” bekannt ist. Es gibt zwei Möglichkeiten, diese Fusionsreaktion durchzuführen: zum einen den so genannten pp-Zyklus (Proton-Proton-Reaktion) und zum anderen den Bethe-Weizsäcker-Zyklus (auch CNO-Zyklus genannt, abgeleitet von den Elementen Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O)).

Der pp-Zyklus ist die vorherrschende Energiequelle in unserer Sonne, nur etwa 1,6 Promille ihrer Energie stammen aus dem CNO-Zyklus. Das Standard-Sonnenmodell (SSM) sagt jedoch voraus, dass der CNO-Zyklus wahrscheinlich die vorherrschende Reaktion bei viel größeren Sternen ist. Bereits in den 1930er Jahren wurde der Zyklus von den Physikern Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker theoretisch vorhergesagt und später nach diesen beiden Herren benannt. Während der pp-Zyklus bereits 1992 im GALLEX-Experiment, ebenfalls im Gran-Sasso-Massiv, experimentell nachgewiesen werden konnte, ist der experimentelle Nachweis des CNO-Zyklus bisher nicht gelungen.

Sowohl der pp-Zyklus als auch der CNO-Zyklus erzeugen unzählige Neutrinos – sehr leichte und elektrisch neutrale Elementarteilchen. Die Tatsache, dass Neutrinos kaum mit anderer Materie wechselwirken, erlaubt es ihnen, das Innere der Sonne mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zu verlassen und die Information über ihren Ursprung ungehindert zur Erde zu transportieren. Hier müssen die Geisterteilchen nur noch eingefangen werden. Dies ist ein ziemlich komplexes Unterfangen, das weltweit nur in wenigen gross angelegten Experimenten möglich ist, da Neutrinos als kleine Lichtblitze in einem riesigen Tank voller Wasser, Mineralöl und anderen Substanzen, auch Szintillator genannt, auftauchen. Die Auswertung der Messdaten ist komplex und ähnelt der Suche nach der Nadel im Heuhaufen.

Im Vergleich zu allen bisherigen und laufenden Sonnen-Neutrino-Experimenten ist Borexino weltweit das erste und einzige Experiment, das in der Lage ist, diese verschiedenen Komponenten einzeln, in Echtzeit und mit hoher statistischer Aussagekraft zu messen. Diese Woche konnte die Borexino-Forschungskooperation einen grossen Erfolg vermelden: In der renommierten Wissenschaftszeitschrift Nature präsentieren sie ihre Ergebnisse zum ersten experimentellen Nachweis von CNO-Neutrinos – ein Meilenstein in der Neutrinoforschung.

Der Dresdner Physiker Professor Kai Zuber ist ein leidenschaftlicher Neutrino-Jäger.

Er ist weltweit an vielen verschiedenen Experimenten beteiligt, wie zum Beispiel an der SNO-Kollaboration in Kanada, die für die Entdeckung einer Neutrinomasse mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Dass es ihm und seinen Kollegen Dr. Mikko Meyer und Jan Thurn nun mit Borexino gelungen ist, die CNO-Neutrinos erstmals experimentell nachzuweisen, ist ein weiterer wichtiger Meilenstein in Zubers wissenschaftlicher Karriere: “Eigentlich habe ich jetzt alles erreicht, was ich mir vorgestellt und erhofft hatte. An grosse neue Entdeckungen in der Sonnen-Neutrinoforschung glaube ich (fast) nicht mehr für den Rest meines Lebens. Ich möchte aber weiter an der Optimierung der Experimente arbeiten, bei denen der Felsenkeller-Beschleuniger hier in Dresden eine äußerst wichtige Rolle spielt. Sicherlich werden wir in Zukunft noch präzisere Messungen der Sonne durchführen können”.

Lesen Sie Neutrinos Yield First Experimental Evidence of the CNO Energy-Production Mechanism of the Universe, um mehr über diese Forschung zu erfahren.

Referenz: “Experimenteller Nachweis von Neutrinos, die im CNO-Fusionszyklus in der Sonne erzeugt werden” von The Borexino Collaboration, 25. November 2020, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0.

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