GALLEX

GALLEX — das Gallium-Experiment — war ein radiochemischer Detektor für Sonnenneutrinos im Untergrundlabor Gran Sasso. Er lief von 1991 bis 1997 und wurde anschließend als GNO bis 2003 fortgeführt.

Seine Bedeutung liegt in einer Zahl: 233 Kiloelektronenvolt.

Warum Gallium

Das Homestake-Experiment arbeitete mit Chlor und konnte deshalb nur Neutrinos oberhalb von 814 keV nachweisen. Damit erfasste es allein die seltenen energiereichen Neutrinos aus dem Bor-8-Zerfall — weniger als ein Hundertstel Promille aller Sonnenneutrinos.

Die Hauptreaktion der Sonne, die pp-Kette, liefert Neutrinos mit höchstens 420 keV. Sie blieben für Chlor unsichtbar.

Gallium ändert das. Der Übergang von Gallium-71 zu Germanium-71 hat eine Schwelle von nur 233 keV. Damit war zum ersten Mal jener Anteil erfassbar, der aus der Grundreaktion stammt.

Und das ist mehr als eine technische Verbesserung. Die Rate der pp-Neutrinos lässt sich fast ohne Modellannahmen vorhersagen: Sie folgt unmittelbar aus der Leuchtkraft der Sonne, denn jede erzeugte Energieeinheit geht mit einer bestimmten Zahl von Neutrinos einher. Wer diese Rate misst, prüft nicht ein Sonnenmodell, sondern eine nahezu zwingende Bilanz.

Der Aufbau

GALLEX nutzte rund 30 Tonnen Gallium, gelöst als Galliumchlorid in Salzsäure — insgesamt etwa hundert Tonnen Lösung in einem Tank unter 1.400 Metern Fels.

Alle drei bis vier Wochen wurde das entstandene Germanium herausgespült. Es ging dabei um wenige Dutzend Atome in hundert Tonnen Lösung.

Das Verfahren: Ein Gasstrom trägt das flüchtige Germaniumtetrachlorid aus, es wird in mehreren Stufen aufkonzentriert, in Germanwasserstoff überführt und in winzige Zählrohre gefüllt. Dort zerfällt es über Monate, und jeder Zerfall wird einzeln registriert.

Die Halbwertszeit von Germanium-71 beträgt 11,4 Tage — kurz genug, um innerhalb weniger Monate fast alles zu zählen, lang genug, um die Extraktion zu überstehen.

Die Eichung mit einer künstlichen Sonne

Ein Einwand lag nahe: Woher weiß man, dass die Chemie wirklich jedes Atom findet und dass die Zählrohre richtig arbeiten?

GALLEX beantwortete das auf die überzeugendste Art, die möglich war. Die Kollaboration ließ eine künstliche Neutrinoquelle aus Chrom-51 herstellen — in einem Reaktor eigens bestrahltes Chrom, dessen Aktivität genau bekannt war. Diese Quelle wurde in den Tank hinabgelassen, und man prüfte, ob die gemessene Rate der bekannten Quellstärke entsprach.

Zwei solche Eichungen wurden durchgeführt, 1994 und 1995. Das Verfahren funktionierte — eine Positivkontrolle, wie sie in der Physik selten so direkt möglich ist.

Das Ergebnis

GALLEX fand etwa 60 Prozent der erwarteten Rate. Das solare Neutrinoproblem bestand also auch bei niedrigen Energien, aber deutlich schwächer als bei Homestake, wo nur ein Drittel ankam.

Dieses Muster war der eigentliche Fund. Ein Fehler im Sonnenmodell hätte kaum energieabhängig auf diese Weise wirken können. Eine Umwandlung unterwegs dagegen schon — und zwar genau so, wie es der MSW-Effekt vorhersagt.

Zusammen mit SAGE lieferte GALLEX damit ein starkes Argument, Jahre bevor SNO die Sache entschied.

Die Anomalie

Bei den Eichmessungen zeigte sich etwas Unerwartetes: Die gemessene Rate lag leicht unter der aus der Quellstärke berechneten. Dasselbe fand SAGE.

Diese Galliumanomalie ist bis heute nicht geklärt. Sie wird als möglicher Hinweis auf sterile Neutrinos diskutiert — oder als Zeichen dafür, dass der zugrunde liegende Kernübergang schlechter bekannt ist als angenommen.

Quellen

GALLEX-Kollaboration: Solar neutrinos observed by GALLEX at Gran Sasso, Physics Letters B 285, 376 (1992).
GALLEX-Kollaboration: First results from the ⁵¹Cr neutrino source experiment with the GALLEX detector, Physics Letters B 342, 440 (1995).