SAGE

SAGE — das Soviet-American Gallium Experiment — ist ein Detektor für Sonnenneutrinos im Baksan-Neutrino-Observatorium im russischen Kaukasus. Er nahm 1990 den Betrieb auf und ist damit eines der langlebigsten Experimente der Neutrinophysik.

Ein Experiment aus zwei Welten

Der Name erzählt ein Stück Zeitgeschichte. SAGE entstand am Ende des Kalten Krieges als Zusammenarbeit sowjetischer und amerikanischer Institute — zu einer Zeit, als solche Vorhaben politisch alles andere als selbstverständlich waren.

Die Kollaboration überstand den Zerfall der Sowjetunion und arbeitet bis heute weiter, nun unter dem Namen Russian-American Gallium Experiment.

Der Detektor liegt in einem Stollen unter dem Berg Andyrtschi, rund 2.000 Meter Fels über sich.

Der Aufbau

SAGE verwendet, anders als GALLEX, metallisches Gallium — rund 50 Tonnen, gehalten bei etwa 30 Grad Celsius. Gallium schmilzt bei 29,8 Grad und ist bei Betriebstemperatur also flüssig, aber nicht gelöst.

Der Nachweisvorgang ist derselbe: Ein Neutrino wandelt einen Gallium-71-Kern in Germanium-71 um, Schwelle 233 Kiloelektronenvolt. Damit erfasst auch SAGE die Neutrinos aus der pp-Kette, also der Hauptreaktion der Sonne.

Die Extraktion aus flüssigem Metall ist chemisch anspruchsvoller als aus einer Chloridlösung. Man gibt eine wässrige Lösung zu, rührt beides kräftig durch und zieht das Germanium in die wässrige Phase. Wie bei GALLEX geht es dabei um einige Dutzend Atome je Messperiode.

Warum zwei Experimente nötig waren

Dass GALLEX und SAGE gleichzeitig und mit unterschiedlichem chemischem Verfahren arbeiteten, war kein Zufall, sondern Absicht.

Beide beruhen auf einer heiklen Kette: Ein Neutrino erzeugt ein Atom, das Atom wird chemisch herausgeholt, sein Zerfall wird gezählt. An jeder Stelle könnte etwas verlorengehen — und ein Verlust sähe genauso aus wie fehlende Neutrinos.

Wenn zwei Gruppen mit verschiedenen Techniken, in verschiedenen Ländern, unter verschiedenen Bergen dasselbe Defizit messen, ist das Ergebnis kein Laborfehler. Beide fanden rund 60 Prozent der erwarteten Rate.

Doppelt geeicht

Auch SAGE prüfte sich mit künstlichen Quellen — und zwar mit zwei verschiedenen.

1995 kam eine Chrom-51-Quelle zum Einsatz, wie bei GALLEX. 2004 folgte eine Quelle aus Argon-37, die Neutrinos etwas höherer Energie liefert. Damit war das Verfahren an zwei unabhängigen Punkten überprüft.

Die Galliumanomalie

Bei diesen Eichmessungen zeigte sich etwas Unerwartetes. Sowohl bei SAGE als auch bei GALLEX lag die gemessene Rate unter der aus der Quellstärke berechneten — um rund 10 bis 20 Prozent.

Das Phänomen heißt Galliumanomalie. Eine mögliche Deutung sind sterile Neutrinos: eine vierte Art, die sich nicht an die schwache Wechselwirkung koppelt und in die ein Teil der Neutrinos auf kurzer Strecke übergehen könnte.

Das Nachfolgeexperiment BEST, ebenfalls in Baksan, ging der Frage ab 2019 gezielt nach. Zwei ineinanderliegende Galliumvolumina von unterschiedlicher Größe wurden gleichzeitig bestrahlt — bei einem Übergang auf kurzer Strecke hätten beide unterschiedlich viel messen müssen. Das Defizit bestätigte sich 2022, ein Unterschied zwischen den Volumina zeigte sich nicht eindeutig.

Ob dahinter neue Physik steckt oder eine unterschätzte Unsicherheit im Kernübergang, ist bis heute offen.

Einordnung

SAGE zeigt zweierlei. Erstens, wie wertvoll unabhängige Wiederholung ist — die beiden Galliumexperimente haben das solare Neutrinoproblem von einer Kuriosität zu einem harten Befund gemacht.

Zweitens, dass sorgfältige Eichung nicht nur absichert, sondern selbst zu neuen Fragen führen kann. Die Galliumanomalie wurde nicht gesucht. Sie fiel auf, weil jemand genau hinsah.

Quellen

SAGE-Kollaboration: Measurement of the solar neutrino capture rate with gallium metal, Physical Review C 80, 015807 (2009).
BEST-Kollaboration: Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions, Physical Review Letters 128, 232501 (2022).