Geoneutrinos

Geoneutrinos sind Antineutrinos, die im Inneren der Erde entstehen. Sie stammen aus dem radioaktiven Zerfall von Uran, Thorium und Kalium im Gestein — und sie sind der einzige bekannte Weg, dem Planeten gewissermaßen unter die Haut zu sehen.

Die Frage, die sie beantworten

Die Erde ist innen heiß. Rund 47 Terawatt strömen ständig durch die Oberfläche nach außen — mehr als das Doppelte des weltweiten Energieverbrauchs der Menschheit.

Diese Wärme treibt alles an, was den Planeten geologisch lebendig macht: Plattentektonik, Vulkanismus, den Geodynamo, der das Magnetfeld erzeugt und uns vor dem Sonnenwind schützt.

Woher kommt sie? Zwei Quellen sind denkbar. Ein Teil ist Restwärme aus der Entstehung des Planeten vor viereinhalb Milliarden Jahren. Ein anderer Teil stammt aus radioaktivem Zerfall im Inneren.

Wie sich beides aufteilt, war lange unbekannt. Bohrungen reichen nur wenige Kilometer tief — das tiefste Loch der Welt kommt auf zwölf. Seismische Wellen verraten Dichte und Zustand, aber nicht die chemische Zusammensetzung.

Warum Neutrinos die Antwort liefern

Jeder Zerfall von Uran oder Thorium setzt Antineutrinos frei, und diese verlassen die Erde ungehindert. Ihre Zahl ist unmittelbar ein Maß für die Menge dieser Elemente im Planeten — und damit für den radiogenen Anteil der Erdwärme.

Eine Einschränkung gehört dazu: Das Verfahren sieht nur Uran und Thorium. Kalium-40 trägt zwar erheblich zur Wärme bei, aber seine Antineutrinos liegen unterhalb der Energieschwelle des inversen Betazerfalls von 1,8 Megaelektronenvolt und bleiben damit unsichtbar. Sein Beitrag muss weiterhin gerechnet werden.

Der Nachweis

Das Verfahren ist dasselbe wie bei Reaktorneutrinos: der inverse Betazerfall in einem großen Szintillator, erkannt am Doppelsignal aus Positronenvernichtung und Neutroneneinfang.

Die Schwierigkeit liegt in der Rate. Ein Detektor von tausend Tonnen registriert einige zehn Geoneutrinos pro Jahr. Ein nahegelegener Reaktor liefert dieselbe Menge an einem Tag.

Es kommt also auf zweierlei an: sehr saubere Detektoren und einen Standort möglichst fern von Kernkraftwerken.

Die beiden Messungen

KamLAND in Japan meldete 2005 den ersten Hinweis. Der Standort ist an sich ungünstig, weil Japan viele Reaktoren betreibt. Nach deren zeitweiliger Abschaltung ab 2011 verbesserten sich die Messbedingungen unfreiwillig erheblich — ein seltener Fall, in dem ein Experiment von einem Ereignis außerhalb der Wissenschaft profitierte.

Borexino in Italien maß mit weniger Untergrund und lieferte 2020 das bislang genaueste Ergebnis.

Was herausgekommen ist

Die Messungen ergeben, dass etwa die Hälfte des Wärmestroms der Erde aus radioaktivem Zerfall stammt. Die andere Hälfte ist Restwärme.

Das ist eine belastbare Aussage über den Aufbau eines Planeten, gewonnen aus Teilchen, die durch ihn hindurchfliegen. Sie hilft, Modelle der Erdentstehung einzugrenzen — und die Frage zu beantworten, wie lange die Plattentektonik noch angetrieben wird.

Was noch offen ist

Die Verteilung. Ob Uran und Thorium überwiegend in der Kruste sitzen oder auch tiefer im Mantel, lässt sich aus der Gesamtzahl allein nicht ablesen. Ein Detektor, der die Richtung bestimmen könnte, würde das lösen — aber Richtung ist gerade das, was ein Szintillator nicht liefert.

Der gangbare Weg führt über Messungen an mehreren weit auseinanderliegenden Orten: Ein Detektor auf kontinentaler Kruste sieht mehr Geoneutrinos als einer mitten im Ozean, weil kontinentale Kruste reicher an Uran und Thorium ist. Aus solchen Unterschieden lässt sich die Verteilung erschließen.

JUNO wird mit 20.000 Tonnen Szintillator hier neue Maßstäbe setzen.

Quellen

Borexino-Kollaboration: Comprehensive geoneutrino analysis with Borexino, Physical Review D 101, 012009 (2020).
KamLAND-Kollaboration: Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND, Nature 436, 499 (2005).