Daya Bay

Daya Bay war ein Reaktorexperiment in der südchinesischen Provinz Guangdong. Es bestimmte 2012 den letzten unbekannten Mischungswinkel der Neutrinooszillation — und machte damit den Weg frei für die Suche nach der CP-Verletzung.

Der fehlende Winkel

Die PMNS-Matrix enthält drei Mischungswinkel. Zwei davon waren um die Jahrtausendwende bekannt: θ₁₂ aus Sonnenneutrinos und KamLAND, θ₂₃ aus atmosphärischen Neutrinos.

Der dritte, θ₁₃, war unbekannt und möglicherweise null.

An dieser Zahl hing viel. Wäre θ₁₃ null gewesen, ließe sich die CP-Verletzung im Leptonsektor überhaupt nicht messen — die entsprechende Phase käme in keiner beobachtbaren Größe mehr vor. Die Frage, warum das Weltall aus Materie besteht, wäre auf diesem Weg unbeantwortbar geblieben.

Frühere Experimente hatten θ₁₃ nur nach oben eingegrenzt. Alle Hinweise deuteten darauf, dass er klein sei — die Frage war, ob klein oder null.

Der Aufbau

Am Standort stehen sechs Kernreaktoren mit zusammen 17,4 Gigawatt thermischer Leistung, eine der stärksten Neutrinoquellen der Welt.

Daya Bay verteilte acht baugleiche Detektoren mit je 20 Tonnen Szintillator auf drei unterirdische Hallen: zwei nahe an den Reaktoren, etwa 500 Meter entfernt, und eine ferne Halle bei rund 1.650 Metern.

Der Szintillator war mit Gadolinium versetzt. Dieses Element fängt Neutronen besonders bereitwillig ein und sendet dabei ein kräftiges Lichtsignal aus — was die verzögerte Koinzidenz aus zwei Blitzen sehr viel deutlicher macht.

Warum die Bauweise entscheidend war

Der Kunstgriff liegt im Vergleich. Die nahen Detektoren messen, was die Reaktoren aussenden; der ferne misst, was ankommt.

Damit fällt die größte Unsicherheit weg. Wie viele Antineutrinos ein Reaktor genau abgibt, hängt vom Brennstoff, vom Abbrand und von Kerndaten ab, die selbst nur auf wenige Prozent bekannt sind. Für eine Messung, bei der es um wenige Prozent Defizit geht, wäre das tödlich.

Weil aber alle acht Detektoren baugleich waren und mit demselben Szintillator aus derselben Charge gefüllt wurden, kürzen sich diese Unsicherheiten im Verhältnis fast vollständig heraus.

Die Detektoren wurden im Betrieb sogar zwischen den Hallen getauscht, um auch noch den letzten Rest gerätebedingter Unterschiede auszuschließen.

Das Ergebnis

Im März 2012 legte die Kollaboration nach nur 55 Tagen Messzeit ein Ergebnis vor: θ₁₃ ist von null verschieden, mit einer Signifikanz von mehr als fünf Standardabweichungen.

Der Wert war zudem größer als von vielen erwartet — groß genug, um die CP-Verletzung mit den Anlagen der nächsten Generation messbar zu machen.

Wenige Wochen später bestätigten die Experimente RENO in Korea und Double Chooz in Frankreich den Befund. T2K hatte kurz zuvor erste Hinweise aus der anderen Richtung geliefert, über das Auftauchen von Elektron-Neutrinos in einem Strahl.

Bis zum Abschluss der Messungen im Dezember 2020 bestimmte Daya Bay θ₁₃ auf etwa drei Prozent genau — bis heute der genaueste Wert.

Was daraus folgte

Ohne dieses Ergebnis gäbe es weder Hyper-Kamiokande noch DUNE in ihrer heutigen Auslegung. Beide sind darauf gebaut, eine Asymmetrie zwischen Neutrinos und Antineutrinos zu messen — und dass das überhaupt möglich ist, hat Daya Bay gezeigt.

Quellen

Daya-Bay-Kollaboration: Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay, Physical Review Letters 108, 171803 (2012).
Daya-Bay-Kollaboration: Precision Measurement of Reactor Antineutrino Oscillation at Kilometer-Scale Baselines, Physical Review Letters 130, 161802 (2023).