Szintillator

Ein Szintillator ist ein Stoff, der aufleuchtet, wenn ein geladenes Teilchen ihn durchquert. Er ist neben der Tscherenkow-Strahlung das zweite große Nachweisprinzip der Neutrinophysik — und für alles zuständig, was zu leise ist, um einen Lichtkegel zu erzeugen.

Wie das Leuchten entsteht

Ein durchfliegendes geladenes Teilchen reißt Elektronen aus ihren Bindungen und hebt Moleküle in angeregte Zustände. Diese Anregung hält nur Nanosekunden. Beim Zurückfallen gibt das Molekül die Energie als Lichtblitz ab.

Bei organischen Szintillatoren geschieht das in zwei Schritten. Das Lösungsmittel nimmt die Energie auf und gibt sie an einen gelösten Leuchtstoff weiter, der ultraviolettes Licht aussendet. Ein zweiter Zusatz, der Wellenlängenschieber, wandelt dieses in blaues Licht um — denn erst dafür sind die Photovervielfacher empfindlich, und erst blaues Licht kommt durch zwanzig Meter Flüssigkeit hindurch, ohne verschluckt zu werden.

Ein moderner Flüssigszintillator besteht deshalb aus drei Bestandteilen: dem Lösungsmittel, meist linearem Alkylbenzol, dazu wenige Gramm PPO je Liter und einige Milligramm eines Schiebers.

Der entscheidende Vorteil

Der Unterschied zur Tscherenkow-Strahlung liegt in einer Zahl. Ein Szintillator liefert je Megaelektronenvolt rund zehntausend Photonen; ein Wasserdetektor kommt auf einige hundert.

Aus dieser fünfzigfachen Lichtausbeute folgt alles Weitere. Die Energie lässt sich viel genauer bestimmen, und vor allem sinkt die Nachweisschwelle drastisch: Ereignisse von wenigen hundert Kiloelektronenvolt werden sichtbar.

Genau darauf beruhte der Erfolg von Borexino, das erstmals Sonnenneutrinos niedriger Energie in Echtzeit zählte — etwas, das mit Wasser nicht möglich gewesen wäre.

Der Preis dafür: Das Licht wird gleichmäßig in alle Richtungen abgestrahlt. Die Richtung des Teilchens geht verloren. Ein Wasserdetektor wie Super-Kamiokande kann sagen, woher ein Neutrino kam; ein Szintillatordetektor kann das nicht.

Das Doppelsignal

Der zweite große Vorzug ist die Zeitauflösung. Ein Szintillator antwortet innerhalb weniger Nanosekunden, und das erlaubt eine Signatur, die Clyde Cowan und Frederick Reines 1956 erfanden und die bis heute jede Reaktormessung trägt.

Beim inversen Betazerfall trifft ein Antineutrino ein Proton und erzeugt ein Positron und ein Neutron. Das Positron zerstrahlt sofort — erster Blitz. Das Neutron wandert einige Mikrosekunden umher, bis es eingefangen wird — zweiter Blitz.

Zwei Blitze im richtigen zeitlichen Abstand sind praktisch nicht zu verwechseln. Deshalb arbeiten KamLAND, Daya Bay und JUNO alle mit Szintillator.

Feste Szintillatoren

Neben Flüssigkeiten gibt es kristalline und Kunststoffvarianten.

Kristalle wie Natriumiodid oder Caesiumiodid, jeweils mit Thallium dotiert, liefern noch mehr Licht und eine bessere Energieauflösung. Sie sind allerdings teuer, empfindlich gegen Feuchtigkeit und in großen Mengen nicht zu bekommen.

Kunststoffszintillatoren lassen sich in beliebige Formen gießen und sind billig. Sie stehen in Lagen zwischen Stahlplatten, etwa bei MINOS, wo es weniger auf Energieauflösung als auf Masse und Spurlage ankommt.

Die Reinheit als Grenze

Bei niedrigen Energien wird die natürliche Radioaktivität des Detektors selbst zum Gegner. Jedes Gramm Material enthält Spuren von Uran, Thorium und Kalium — im Alltag unbedenklich, hier verheerend.

Borexino erreichte deshalb eine Reinheit von etwa einem Uranatom auf 10¹⁸ Atome des Szintillators und war damit der sauberste Ort der Welt. Die Entwicklung dieser Reinigungsverfahren dauerte länger als der Bau der Anlage — und sie ist der Grund, warum JUNO dieselbe Reinheit im siebzigfachen Volumen überhaupt anstreben kann.

Pulsformanalyse

Ein letzter Kunstgriff: Die Form des Lichtblitzes verrät die Teilchenart. Ein Alphateilchen erzeugt einen etwas länger nachklingenden Puls als ein Elektron, weil es die Energie dichter deponiert.

Damit lassen sich Untergrundereignisse aus radioaktiven Zerfällen von echten Neutrinoereignissen trennen — ohne zusätzliche Hardware, allein aus der zeitlichen Gestalt des Signals.

Quellen

Borexino-Kollaboration: The Borexino detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Nuclear Instruments and Methods A 600, 568 (2009).
JUNO-Kollaboration: JUNO Physics and Detector, Progress in Particle and Nuclear Physics 123, 103927 (2022).