Massiver unterirdischer “Geisterteilchen”-Detektor entdeckt das letzte Geheimnis des Fusionszyklus unserer Sonne.

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Ein hypersensibles Instrument, tief unter der Erde in Italien, hat endlich die fast unmögliche Aufgabe bewältigt, CNO-Neutrinos (winzige Teilchen, die auf das Vorhandensein von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff hinweisen) aus dem Kern unserer Sonne nachzuweisen. Diese wenig bekannten Teilchen enthüllen das letzte fehlende Detail des Fusionszyklus, der unsere Sonne und andere Sterne antreibt.

In den Ergebnissen, die am 26. November 2020 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden (und auf der Titelseite zu lesen waren), berichten die Forscher der Borexino-Kollaboration über die ersten Entdeckungen dieser seltenen Art von Neutrinos, die als “Geisterteilchen” bezeichnet werden, weil sie die meiste Materie durchdringen, ohne Spuren zu hinterlassen.

Die Neutrinos wurden mit dem Borexino-Detektor nachgewiesen, einem riesigen unterirdischen Experiment in Mittelitalien. Das multinationale Projekt wird in den Vereinigten Staaten von der National Science Foundation im Rahmen eines gemeinsamen Stipendiums unterstützt, das von Frank Calaprice, emeritierter Professor für Physik in Princeton, Andrea Pocar, einer 2003 graduierten Absolventin von Princeton und Professorin für Physik an der University of Massachusetts-Amherst, und Bruce Vogelaar, Professor für Physik am Virginia Polytechnical Institute and State University (Virginia Tech), betreut wird.

Der Nachweis von “Geisterteilchen” bestätigt Vorhersagen aus den 1930er Jahren, dass ein Teil der Energie unserer Sonne durch eine Kette von Reaktionen unter Beteiligung von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff (CNO) erzeugt wird. Diese Reaktion erzeugt weniger als 1% der Sonnenenergie, aber man geht davon aus, dass sie bei größeren Sternen die primäre Energiequelle ist. Bei diesem Prozess werden zwei Neutrinos – die leichtesten bekannten Elementarteilchen der Materie – sowie andere subatomare Teilchen und Energie freigesetzt. Der häufiger vorkommende Prozess der Wasserstoff-Helium-Fusion setzt ebenfalls Neutrinos frei, aber ihre spektralen Signaturen sind unterschiedlich, so dass die Wissenschaftler zwischen ihnen unterscheiden können.

“Die Bestätigung, dass CNO in unserer Sonne brennt, wo es bei nur 1% arbeitet, stärkt unsere Zuversicht, dass wir verstehen, wie Sterne funktionieren”, sagte Calaprice, einer der Urheber und Hauptforscher von Borexino.

CNO-Neutrinos: Fenster in die Sonne

Während eines Großteils ihres Lebens erhalten Sterne Energie, indem sie Wasserstoff zu Helium verschmelzen. Bei Sternen wie unserer Sonne geschieht dies überwiegend durch Proton-Proton-Ketten. In schwereren und heißeren Sternen jedoch katalysieren Kohlenstoff und Stickstoff die Wasserstoffverbrennung und setzen CNO-Neutrinos frei. Wenn wir Neutrinos finden, können wir tief in das Innere der Sonne blicken. Als der Borexino-Detektor Protonen-Proton-Neutrinos entdeckte, erhellten die Nachrichten die wissenschaftliche Welt.

Aber CNO-Neutrinos bestätigen nicht nur, dass der CNO-Prozess im Sonneninneren funktioniert, sondern sie können auch zur Lösung einer wichtigen offenen Frage in der Sternenphysik beitragen: Wie viel des Sonneninneren aus “Metallen” besteht, die Astrophysiker als alle Elemente definieren, die schwerer als Wasserstoff oder Helium sind, und ob die “Metallizität” des Kerns mit der der Sonnenoberfläche oder der äußeren Schichten übereinstimmt.

Leider sind Neutrinos äußerst schwierig zu messen. Mehr als 400 Milliarden von ihnen treffen jede Sekunde jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche, doch praktisch alle diese “Geisterteilchen” durchqueren den gesamten Planeten, ohne mit irgendetwas in Wechselwirkung zu treten, was die Wissenschaftler zwingt, sehr große und sehr sorgfältig geschützte Instrumente zu verwenden, um sie nachzuweisen.

Der Borexino-Detektor befindet sich eine halbe Meile unter dem Apennin in Mittelitalien, in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) des italienischen Nationalinstituts für Kernphysik, wo ein riesiger Nylonballon von etwa 30 Fuß Durchmesser, der mit 300 Tonnen ultrareiner flüssiger Kohlenwasserstoffe gefüllt ist, in einer mehrschichtigen Kugelkammer gehalten wird, die in Wasser eingetaucht ist. Ein winziger Bruchteil der Neutrinos, die den Planeten durchqueren, wird von den Elektronen in diesen Kohlenwasserstoffen abprallen und Lichtblitze erzeugen, die von Photonensensoren, die den Wassertank auskleiden, erfasst werden können. Die große Tiefe, Größe und Reinheit machen Borexino zu einem wirklich einzigartigen Detektor für diese Art von Wissenschaft.

Das Borexino-Projekt wurde in den frühen 1990er Jahren von einer Gruppe von Physikern unter der Leitung von Calaprice, Gianpaolo Bellini an der Universität Mailand und dem verstorbenen Raju Raghavan (damals in den Bell Labs) initiiert. In den letzten 30 Jahren haben Forscher auf der ganzen Welt dazu beigetragen, die Protonen-Protonen-Kette von Neutrinos zu finden, und vor etwa fünf Jahren begann das Team mit der Jagd nach den CNO-Neutrinos.

Den Hintergrund unterdrücken

“In den vergangenen 30 Jahren ging es darum, den radioaktiven Hintergrund zu unterdrücken”, sagte Calaprice.

Die meisten der von Borexino entdeckten Neutrinos sind Protonen-Protonen-Neutrinos, aber einige wenige sind erkennbar CNO-Neutrinos. Leider ähneln CNO-Neutrinos Teilchen, die beim radioaktiven Zerfall von Polonium-210 entstehen, einem Isotop, das aus dem riesigen Nylonballon austritt. Die Trennung der Neutrinos der Sonne von der Poloniumverunreinigung erforderte eine akribische Anstrengung unter der Leitung von Wissenschaftlern aus Princeton, die 2014 begann. Da nicht verhindert werden konnte, dass die Strahlung aus dem Ballon austrat, fanden die Wissenschaftler eine andere Lösung: Sie ignorierten die Signale vom kontaminierten äußeren Rand des Sphe

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