KamLAND

KamLAND — Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector — steht in jener Kaverne in Japan, in der zuvor der Detektor Kamiokande arbeitete. Er nahm 2002 den Betrieb auf und lieferte den Befund, der die Neutrinooszillation endgültig festnagelte.

Der Aufbau

Im Zentrum hängt ein Ballon aus hauchdünner Kunststofffolie mit 1.000 Tonnen Szintillator, umgeben von einer Pufferflüssigkeit, einem Stahltank mit 1.879 Photovervielfachern und zuletzt einem Wassermantel. Darüber liegen 1.000 Meter Fels.

Nachgewiesen werden Antineutrinos über den inversen Betazerfall — mit derselben verzögerten Koinzidenz aus zwei Lichtblitzen, die Cowan und Reines 1956 erfunden hatten.

Dass die Anlage in einer vorhandenen Kaverne entstehen konnte, sparte Jahre. Kamiokande war 1996 von Super-Kamiokande abgelöst worden und stand leer.

Ein ganzes Land als Quelle

Die Besonderheit von KamLAND ist die Quelle. Statt eines einzelnen Reaktors nutzt der Detektor alle Kernkraftwerke Japans — zur Bauzeit rund 55 Reaktoren, verteilt über das Land, im Mittel etwa 180 Kilometer entfernt.

Diese Entfernung war der entscheidende Punkt. Frühere Reaktorexperimente hatten Abstände von wenigen hundert Metern bis zu einem Kilometer und fanden nichts. Bei 180 Kilometern dagegen liegt genau der Bereich, in dem die aus Sonnenneutrinos erschlossene Oszillation wirken müsste.

Damit ließ sich eine Frage entscheiden, die alle Sonnenmessungen offenließen: Zeigt sich derselbe Effekt auch bei einer Quelle, die man kennt, deren Stärke man ausrechnen kann und die auf der Erde steht?

Das Verschwinden

2002 meldete KamLAND, dass Antineutrinos fehlen. Etwa 40 Prozent der erwarteten Rate kamen nicht an.

Das allein bestätigte die Oszillation nicht zwingend — auch andere Erklärungen hätten ein Defizit erzeugt. Zerfall der Neutrinos unterwegs, ein Entweichen in zusätzliche Raumdimensionen: beides war ernsthaft erwogen worden.

Die Wellenform

Der eigentliche Triumph folgte zwei Jahre später. Mit mehr Daten ließ sich nicht nur zählen, wie viele fehlen, sondern auch bei welcher Energie.

Und dort zeigte sich die charakteristische Form: ein Tal im Spektrum, dann ein Wiederanstieg, dann ein zweites Tal. Genau so sieht eine Oszillation aus, wenn man sie über die Energie aufträgt — die Wahrscheinlichkeit schwingt hin und her.

Ein Zerfall der Neutrinos hätte ein glatt abfallendes Spektrum ergeben, ein Entweichen in Extradimensionen ein anderes. Nur die Oszillation erzeugt Wellen.

Damit war die Deutung des solaren Neutrinoproblems unabhängig von jeder Annahme über die Sonne bestätigt, und die zugehörige Massendifferenz auf wenige Prozent bestimmt.

Der Blick ins Erdinnere

2005 meldete KamLAND den ersten Nachweis von Geoneutrinos — Antineutrinos aus dem radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium im Erdmantel und in der Kruste.

Der japanische Standort ist dafür an sich ungünstig, weil die vielen Reaktoren einen starken Untergrund erzeugen. Nach der Abschaltung fast aller japanischen Kernkraftwerke ab 2011 verbesserten sich die Bedingungen unfreiwillig erheblich — ein seltener Fall, in dem ein Experiment von einem Ereignis außerhalb der Wissenschaft profitierte.

KamLAND-Zen

Seit 2011 hängt im Inneren ein zusätzlicher, kleinerer Ballon mit Xenon-136, gelöst im Szintillator. Damit sucht die Kollaboration nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall — jenem Vorgang, der zeigen würde, dass das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist.

Die Bauweise ist bemerkenswert sparsam: Statt einen neuen Detektor zu errichten, wird der vorhandene um ein Volumen im Volumen ergänzt. Xenon lässt sich zudem herauslösen und wieder einfüllen, was Umbauten erlaubt.

Gefunden wurde der Zerfall nicht. Die Untergrenzen für die Halbwertszeit gehören zu den schärfsten weltweit.

Quellen

KamLAND-Kollaboration: First Results from KamLAND: Evidence for Reactor Antineutrino Disappearance, Physical Review Letters 90, 021802 (2003).
KamLAND-Kollaboration: Experimental investigation of geologically produced antineutrinos with KamLAND, Nature 436, 499 (2005).