Super-Kamiokande
Super-Kamiokande ist ein Neutrinodetektor in der Präfektur Gifu in Japan, 1.000 Meter unter dem Berg Ikeno. Mit ihm gelang 1998 der erste belastbare Nachweis der Neutrinooszillation — und damit der Beleg, dass Neutrinos Masse besitzen.
Der Aufbau
Der Tank ist ein Zylinder von 39 Metern Durchmesser und 42 Metern Höhe, gefüllt mit 50.000 Tonnen außerordentlich reinem Wasser. Die Wände tragen über elftausend Photovervielfacher mit je einem halben Meter Durchmesser — die größten, die je in Serie gebaut wurden.
Das Nachweisprinzip ist die Tscherenkow-Strahlung. Trifft ein Neutrino ein Elektron oder einen Atomkern, entsteht ein geladenes Teilchen. Bewegt sich dieses schneller als Licht im Wasser — was erlaubt ist, denn dort ist Licht langsamer als im Vakuum —, so zieht es einen Lichtkegel hinter sich her, ähnlich der Bugwelle eines Schiffes.
Auf der Tankwand zeichnet dieser Kegel einen Ring. Aus dessen Lage folgt die Richtung, aus seiner Helligkeit die Energie, und aus seiner Schärfe die Teilchenart: Ein Elektron streut auf seinem Weg und erzeugt einen verwaschenen Ring, ein Myon läuft geradeaus und erzeugt einen scharfen. Genau diese Unterscheidung war für die Entdeckung von 1998 entscheidend.
Der Fels darüber entspricht 2.700 Metern Wasser und hält den größten Teil der kosmischen Myonen ab.
Die Entdeckung von 1998
Der Detektor nahm im April 1996 den Betrieb auf. Zwei Jahre später legte Takaaki Kajita das Ergebnis vor, das die Anlage berühmt machte.
Atmosphärische Neutrinos treffen aus allen Richtungen ein — von oben nach 15 Kilometern Flugstrecke, von unten nach 13.000 Kilometern quer durch die Erde. Super-Kamiokande fand von oben die erwartete Zahl an Myon-Neutrinos, von unten aber nur etwa die Hälfte. Elektron-Neutrinos zeigten kein solches Defizit.
Die Abhängigkeit vom Einfallswinkel war der eigentliche Beweis. Ein Detektorfehler hätte oben wie unten gleich gewirkt; eine Umwandlung, die von der Weglänge abhängt, wirkt genau so.
Der Unfall von 2001
Am 12. November 2001, während der Tank nach Wartungsarbeiten wieder befüllt wurde, implodierte eine der Photovervielfacherröhren in der Tiefe. Die Druckwelle riss die nächste mit, dann die übernächste. Innerhalb von Sekunden zerstörte eine Kettenreaktion rund 6.600 der elftausend Röhren.
Es war ein Schaden von vielen Millionen Dollar und hätte das Ende des Vorhabens sein können. Die Kollaboration verteilte die verbliebenen Röhren neu über den Tank und nahm den Betrieb mit halber Belegung binnen eines Jahres wieder auf. Bis 2006 war der volle Bestand ersetzt — und jede Röhre trägt seither eine Schutzhülle aus Acryl und Glasfaser, damit sich ein solcher Dominoeffekt nicht wiederholen kann.
Was der Detektor sonst leistet
Sonnenneutrinos. Anders als radiochemische Verfahren misst Super-Kamiokande in Echtzeit und mit Richtungsangabe. Die Neutrinos kommen nachweislich aus der Richtung der Sonne.
Strahlexperimente. Seit 2010 ist die Anlage Zielpunkt von T2K — ein Neutrinostrahl aus Tokai, 295 Kilometer entfernt. Damit ließ sich 2013 erstmals das Auftauchen von Elektron-Neutrinos in einem Myon-Neutrino-Strahl nachweisen.
Protonenzerfall. Die ursprüngliche Frage des Vorgängerdetektors wird weiter verfolgt. Gefunden wurde nichts; die Untergrenze für die Lebensdauer des Protons liegt inzwischen bei über 10³⁴ Jahren.
Supernova-Bereitschaft. Explodiert in unserer Galaxie ein Stern, würde der Detektor tausende Neutrinos auffangen. Er ist Teil eines weltweiten Frühwarnnetzes für Astronomen.
Gadolinium
Seit 2020 wird dem Wasser Gadolinium beigemischt. Dieses Element fängt Neutronen ein und sendet dabei ein charakteristisches Lichtsignal aus.
Der Gewinn ist erheblich: Damit lässt sich der inverse Betazerfall am Doppelsignal erkennen und ein Antineutrino sicher von einem Neutrino unterscheiden. Das eröffnet die Suche nach dem diffusen Supernova-Neutrinohintergrund — der Summe aller Sternexplosionen in der Geschichte des Weltalls.
Nachfolge
Hyper-Kamiokande wird derzeit gebaut und soll mit rund 258.000 Tonnen Wasser etwa das Achtfache fassen. Super-Kamiokande selbst bleibt in Betrieb.
Verwandte Begriffe
- Takaaki Kajita — die Entdeckung von 1998
- Masatoshi Koshiba — der Vorgängerdetektor
- Tscherenkow-Strahlung — das Nachweisprinzip
- T2K — der Strahl aus Tokai
- Hyper-Kamiokande — der Nachfolger
Quellen
- Super-Kamiokande-Kollaboration (Y. Fukuda u. a.): Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).
- Super-Kamiokande-Kollaboration: First gadolinium loading to Super-Kamiokande, Nuclear Instruments and Methods A 1027, 166248 (2022).