Borexino

Borexino war ein Detektor für Sonnenneutrinos im Untergrundlabor Gran Sasso in Italien. Er lief von 2007 bis 2021 und leistete etwas, das vorher niemand konnte: die Messung einzelner Sonnenneutrinos in Echtzeit und bei niedriger Energie.

Was vorher fehlte

Radiochemische Versuche wie Homestake oder GALLEX zählen Atome. Sie liefern eine Summe über Wochen und sagen nichts darüber, wann ein Neutrino kam, welche Energie es hatte oder aus welcher Richtung.

Super-Kamiokande sieht Richtung und Zeit, kommt aber wegen der geringen Lichtausbeute der Tscherenkow-Strahlung nicht unter etwa fünf Megaelektronenvolt.

Zwischen beidem klaffte eine Lücke — und in dieser Lücke liegen über 99 Prozent aller Sonnenneutrinos.

Der Weg über den Szintillator

Borexino nutzte einen Szintillator, der je Megaelektronenvolt rund zehntausend Photonen liefert statt einiger hundert. Damit sinkt die Nachweisschwelle auf einige hundert Kiloelektronenvolt.

Der Preis: Die Richtungsinformation geht verloren, und der Untergrund wird zum beherrschenden Problem. Bei so niedrigen Energien ertrinkt das Signal in der natürlichen Radioaktivität des Detektors selbst. Jedes Gramm Material enthält Spuren von Uran, Thorium und Kalium — im Alltag unbedenklich, hier verheerend.

Der sauberste Ort der Welt

Borexino musste deshalb eine Reinheit erreichen, die es zuvor nicht gab. Der Aufbau war zwiebelartig: 278 Tonnen Szintillator in einer hauchdünnen Nylonhülle, umgeben von einer Pufferflüssigkeit, einer Stahlkugel mit über 2.000 Photovervielfachern und zuletzt einem Wassertank. Darüber 1.400 Meter Fels.

Ausgewertet wurde nur der innerste Bereich von rund hundert Tonnen — die äußeren Schichten dienten allein dazu, ihn abzuschirmen.

Erreicht wurde eine Reinheit von etwa einem Uranatom auf 10¹⁸ Atome des Szintillators. Die Entwicklung der Reinigungsverfahren dauerte länger als der Bau der Anlage.

Die Ergebnisse

Der Aufwand zahlte sich aus. Borexino vermaß nacheinander fast alle Neutrinoquellen der Sonne:

Der Nachweis der pp-Neutrinos von 2014 ist der schönste: Er zeigt unmittelbar jene Reaktion, aus der die Sonne den weitaus größten Teil ihrer Energie bezieht. Man sah der Sonne beim Brennen zu — und zwar dem Vorgang von jetzt, nicht dem Licht, das zehntausende Jahre bis zur Oberfläche braucht.

Der CNO-Nachweis von 2020 schloss eine Lücke, die Hans Bethe 1939 aufgemacht hatte. Er hatte zwei Wege der Kernfusion in Sternen beschrieben; der zweite war acht Jahrzehnte lang nur gerechnet, nie gesehen worden. Bei der Sonne trägt er nur etwa ein Prozent bei — bei schwereren Sternen überwiegt er.

Nebenbei vermaß Borexino den Übergangsbereich, in dem der MSW-Effekt von Vakuum- auf Materieverhalten umschlägt, und bestätigte die vorhergesagte Kurve.

Geoneutrinos

Mit derselben Anlage wies Borexino Geoneutrinos nach — Antineutrinos aus dem radioaktiven Zerfall im Erdinneren. Der italienische Standort ist dafür günstiger als der japanische von KamLAND, weil weniger Kernkraftwerke in der Nähe stehen.

Die Messung von 2020 ist bis heute die genaueste ihrer Art.

Nachwirkung

Borexino wurde 2021 abgeschaltet. Was bleibt, ist die Technik: Die entwickelten Reinigungsverfahren stehen heute hinter JUNO, das mit 20.000 Tonnen Szintillator dieselbe Reinheit im siebzigfachen Volumen erreichen muss.

Verwandte Begriffe

• Sonnenneutrinos — was gemessen wurde
• Szintillator — die Nachweistechnik
• Geoneutrinos — der Blick ins Erdinnere
• JUNO — der Nachfolger im Maßstab

Quellen

• Borexino-Kollaboration: Neutrinos from the primary proton–proton fusion process in the Sun, Nature 512, 383 (2014).
• Borexino-Kollaboration: Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun, Nature 587, 577 (2020).