Sudbury Neutrino Observatory
Das Sudbury Neutrino Observatory (SNO) war ein Neutrinodetektor zwei Kilometer tief in einer Nickelmine bei Sudbury in Ontario. Es beendete 2002 eine Debatte, die seit 1968 geführt wurde, und brachte Arthur B. McDonald den Nobelpreis 2015 ein.
Die Frage
Seit dem Homestake-Experiment stand fest, dass nur etwa ein Drittel der erwarteten Sonnenneutrinos ankommt. Unklar war, woran das liegt.
Zwei Erklärungen standen im Raum. Entweder war das Sonnenmodell falsch — dann hätte die Astrophysik ein Problem. Oder die Neutrinos wandelten sich unterwegs um — dann hätte die Teilchenphysik eines.
Zwischen beidem konnte kein Detektor unterscheiden, denn alle sprachen nur auf Elektron-Neutrinos an. Eine schwächere Sonne und umgewandelte Neutrinos ergeben in einem solchen Gerät dasselbe Bild: zu wenige Ereignisse.
Die Lösung: schweres Wasser
SNO umging das mit einem Kunstgriff. Der Detektor enthielt 1.000 Tonnen schweres Wasser in einem durchsichtigen Acrylbehälter von zwölf Metern Durchmesser, umgeben von 9.600 Photovervielfachern und einer Hülle aus gewöhnlichem Wasser.
Schweres Wasser enthält Deuterium, und Deuterium kann auf drei Weisen mit Neutrinos reagieren:
Geladener Strom. Nur ein Elektron-Neutrino kann das Deuteron in zwei Protonen und ein Elektron spalten. Diese Reaktion zählt also allein die Neutrinos, die ihre ursprüngliche Art behalten haben.
Neutraler Strom. Jede Neutrinoart kann das Deuteron in ein Proton und ein Neutron zerlegen. Diese Reaktion zählt alle Neutrinos, gleich welcher Art.
Elastische Streuung an Elektronen. Alle Arten tragen bei, Elektron-Neutrinos aber deutlich stärker. Diese Reaktion liefert zusätzlich die Richtung.
Der Vergleich der ersten beiden Zahlen beantwortet die Frage unmittelbar — und zwar ohne dass man das Sonnenmodell überhaupt heranziehen müsste. Darin liegt die Eleganz des Aufbaus: Er misst ein Verhältnis, und Verhältnisse sind robuster als Absolutwerte.
Dass 1.000 Tonnen schweres Wasser überhaupt zu bekommen waren, verdankt sich einem kanadischen Sonderweg. Die dortigen CANDU-Kernkraftwerke arbeiten damit; die staatliche Atomenergiebehörde lieh den Vorrat aus. Sein Wert lag bei mehreren hundert Millionen Dollar.
Die drei Messphasen
Der neutrale Strom erzeugt ein freies Neutron — und Neutronen sind schwer zu sehen. SNO ging das Problem dreimal mit verschiedenen Mitteln an, was den Nachweis unabhängig von einem einzelnen Verfahren machte:
| Phase | Zeitraum | Nachweis der Neutronen |
|---|---|---|
| reines schweres Wasser | 1999–2001 | Einfang am Deuterium |
| Salzphase | 2001–2003 | zwei Tonnen Kochsalz zugesetzt, Einfang am Chlor |
| Zählrohrphase | 2004–2006 | Proportionalzählrohre mit Helium-3 |
Alle drei Phasen kamen zum selben Ergebnis. Das ist eine Form von Kontrolle, die sich ein Experiment nur selten leisten kann.
Das Ergebnis
Über den geladenen Strom kam etwa ein Drittel der erwarteten Rate — genau das Defizit, das Davis dreißig Jahre zuvor gefunden hatte. Über den neutralen Strom kam die volle Rate.
Damit war beides zugleich bewiesen: Die Sonne sendet genau so viele Neutrinos aus, wie John Bahcall berechnet hatte. Und zwei Drittel davon wandeln sich unterwegs in andere Arten um.
Die entscheidende Veröffentlichung erschien im Juni 2002. Bahcall, der drei Jahrzehnte an seiner Rechnung festgehalten hatte, verglich das Gefühl später damit, dreißig Jahre lang die Kugelgestalt der Erde behauptet zu haben — und dann kehre jemand von einer Weltumsegelung zurück.
Warum es so tief liegen musste
Die Creighton-Mine bietet 2.092 Meter Gestein über dem Detektor, was rund 6.000 Metern Wasser entspricht. Nur so ließ sich der Untergrund aus kosmischen Myonen auf wenige Ereignisse pro Tag drücken.
Hinzu kam ein Reinheitsanspruch, der an Besessenheit grenzte: Jedes Gramm Staub im Acrylbehälter hätte über seine natürliche Radioaktivität Neutronen erzeugt und damit das Signal des neutralen Stroms verfälscht. Der Behälter wurde in Reinraumbedingungen unter Tage zusammengesetzt.
Nachwirkung
SNO wurde 2006 abgeschaltet. Aus der Anlage wurde SNOLAB, eines der tiefsten Untergrundlabore der Welt. Dort läuft heute SNO+, das nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall sucht, daneben mehrere Experimente zur dunklen Materie.
Verwandte Begriffe
- Arthur B. McDonald — der Leiter
- Solares Neutrinoproblem — die gelöste Frage
- Homestake-Experiment — der Ausgangsbefund
- MSW-Effekt — die Erklärung der Umwandlung
Quellen
- SNO-Kollaboration (Q. R. Ahmad u. a.): Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
- SNO-Kollaboration: Combined Analysis of all Three Phases of Solar Neutrino Data from the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review C 88, 025501 (2013).