Neutrinos gehören zu den schwer fassbaren Teilchen, die der Wissenschaft wohlbekannt sind. Diese winzigen subatomaren Teilchen haben keine elektrische Ladung und eine extrem geringe Masse, was ihre Entdeckung unglaublich schwierig macht. Sie werden in Hülle und Fülle von der Sonne sowie durch Kernreaktionen auf der Erde und in Supernovae produziert. Trotz ihrer schwer fassbaren Natur sind Wissenschaftler daran interessiert, Neutrinos nachzuweisen, da sie wertvolle Informationen über die Prozesse liefern können, die sie erzeugen.

Neutrinos interagieren so selten mit Materie, dass es eines ganz besonderen Detektors bedarf, um sie auf frischer Tat zu fangen. Diese Detektoren gibt es in verschiedenen Ausführungen, von denen jeder seine einzigartige Methode zum Erkennen dieser schwer fassbaren Partikel nutzt. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf die Funktionsweise dieser Detektoren und auf einige der bemerkenswertesten Beispiele von Neutrinodetektoren auf der heutigen Welt.

Geduld und Maßstab

Die moderne Physik sagt uns, dass rund 100 Billionen Neutrinos durch unseren Körper wandern jede Sekunde. Man könnte meinen, dass diese Partikel aufgrund ihrer Häufigkeit leicht zu finden wären, aber das ist alles andere als der Fall. Diese ultraleichten ungeladenen Teilchen interagieren so selten mit Materie, dass ihr Nachweis einen ziemlich speziellen experimentellen Aufbau erfordert.

Der erste erfolgreiche Neutrinonachweis gelang 1956 Frederick Reines und Clyde Cowan. Mit einer Lösung von Cadmiumchlorid in Wasser wurden zwei Ziele erstellt und Szintillationsdetektoren neben den Zielen angebracht. Antineutrinos aus einem Kernreaktor erlebten einen „inversen Betazerfall“ mit Protonen im Wasser. Bei dieser Reaktion verwandelte sich das Proton in ein Neutron und das Antineutrino bildete ein Positron. Das Positron vernichtete sich schnell mit einem Elektron und setzte dabei einen Gammastrahl frei, während das Neutron von einem Cadmiumkern eingefangen wurde und einige Mikrosekunden später selbst einen Gammastrahl freisetzte. Durch die Erfassung der Gammastrahlensignatur dieser Ereignisse gelang dem Duo die erfolgreiche Entdeckung eines Antineutrinos, was ihnen später im Jahr 1995 den Nobelpreis einbrachte.

Diese Methode war zum Nachweis von Neutrinos nützlich, aber kaum mehr. Um mehr über das Universum zu erfahren, mussten Physiker die Neutrinos genauer untersuchen und ihre natürlichen Quellen, ihre Wechselwirkungen und ihr Verhalten bestimmen. Daher wurde im Laufe der Jahre eine Vielzahl fortschrittlicherer Detektoren gebaut. Viele davon sind im großen Stil und umfassen Hunderte Tonnen davon oder Tausende Tonnen davon. Um eine seltene Wechselwirkung mit einem Neutrino einzufangen, ist häufig der schiere Maßstab erforderlich, da Neutrinos dazu neigen, große Materialflächen ohne jegliche Wechselwirkung zu durchdringen.

Cherenkov-Strahlung

Eine modernere und beliebtere Methode zum Nachweis von Neutrinos ist die Tscherenkow-Strahlung, die Wissenschaftlern umfangreichere Informationen über Neutrinos und ihre Herkunft liefert. Wenn sich ein Neutrino in einem bestimmten Material wie Wasser schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegt, wird Cherenkov-Strahlung in einer Art optischer Stoßwelle erzeugt, analog zu einem Flugzeug, das die Schallgeschwindigkeit in der Luft bricht. Der freigesetzte Lichtring kann mit einfachen Photomultiplierröhren nachgewiesen werden. Mit einer geeigneten Anordnung von Fotodetektoren kann es möglich sein, die Richtung und Energieniveaus einfallender Neutrinos zu bestimmen.

Diese Detektoren verwenden große Tanks, die mit Wasser, schwerem Wasser oder Öl gefüllt sind, und sind mit Sensoren ausgestattet, die die schwachen Blitze der Tscherenkow-Strahlung erkennen können, die entstehen, wenn ein Neutrino mit Materie interagiert. Ein Paradebeispiel für einen Wasser-Cherenkov-Detektor ist der Super-Kamiokande in Japan ein riesiger unterirdischer Tank mit 50,000 Tonnen hochreinem Wasser, ausgekleidet mit 11,000 Photomultiplierröhren. Das gesamte Experiment ist einen Kilometer unter der Erde vergraben und schützt so vor anderen Naturphänomenen wie der kosmischen Strahlung. Es soll in den kommenden Jahren vom Hyper-Kamiokande abgelöst werden. Ein weiteres Beispiel ist das Sudbury-Neutrino-Observatorium mit 1,000 Tonnen schwerem Wasser, umgeben von einem Zylinder mit normalem reinem Wasser. Das Experiment ist in der Lage, die Gammastrahlung einzufangen, die freigesetzt wird, wenn ein Neutrino ein Deuteriumatom im schweren Wasser aufspaltet.

Der MiniBooNE-Detektor funktioniert nach dem gleichen Szintillationsprinzip, verwendet jedoch Öl als Medium anstelle von Wasser. Es wurde entwickelt, um das Konzept von zu untersuchen Neutrino-Oszillation, wo Neutrinos im Laufe der Zeit zwischen verschiedenen „Geschmacksrichtungen“ wechseln. Das Experiment suchte nach der Signatur eines Elektron-Neutrinos, das auf ein Neutron trifft – was ein Elektron und ein sich langsam bewegendes Proton erzeugen würde – was selten vorkommt. Dies steht im Gegensatz zur Signatur häufigerer Ereignisse, bei denen Myon-Neutrinos auf Protonen treffen und so ein Myon und ein Proton entstehen. Diese unterschiedlichen Ereignisse können durch Lichtmuster bestimmt werden, die von den Photomultipliern des Experiments erfasst werden, da verschiedene Teilchen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ihre eigenen verräterischen Muster der Tscherenkow-Strahlung erzeugen.

Andere Cherenkov-Detektoren verzichten auf die Verwendung eines riesigen, speziell angefertigten Behälters und nutzen stattdessen natürlich vorhandene Gewässer oder Eis. Das Antares-Experiment befindet sich auf dem Grund des Mittelmeers, 2.5 km unter der Oberfläche. Daher muss es Licht herausfiltern, das beispielsweise durch radioaktive Zerfälle von Kalium-40 im Meersalz und durch biolumineszierende Organismen verursacht wird. Am Südpol nutzen die Experimente AMANDA und IceCUBE Fotodetektoren in tief ins Eis gebohrten Löchern.

Zeitprojektionskammern

Zeitprojektionskammern stellen eine weitere Methode zur Neutrino-Detektion dar, bei der eine Neutrino-Wechselwirkung Atome in einem Gas oder einer Flüssigkeit ionisiert und die resultierende Spur geladener Teilchen dann detektiert wird. Das derzeit im Bau befindliche DUNE-Experiment in South Dakota, USA, ist ein Beispiel für ein Projekt, bei dem diese Methode zum Einsatz kommt. Mit seinen vier riesigen Detektoren, von denen jeder Tausende Tonnen flüssiges Argon fasst, will DUNE Neutrinos mit beispielloser Präzision untersuchen. Die Dichte des flüssigen Argons erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung mit einem Neutrino.

Zeitprojektionskammern nutzen die Lichtdetektion genau wie Szintillatorexperimente, gehen aber noch darüber hinaus. Die Kammern nutzen eine Kathodenebene, um ein elektrisches Feld in der Kammer zu erzeugen. Auf der gegenüberliegenden Seite der Kammer befinden sich mehrere Ebenen paralleler Anodendrähte. Innere Ebenen werden typischerweise als Induktionsgitter bezeichnet, die sogenannte Driftelektronen aus Neutrino-Teilchen-Wechselwirkungen passieren lassen. Wenn ein Driftelektron in der Induktionsebene an einem Draht vorbeiläuft, erzeugt es einen Stromstoß im Draht, der erfasst werden kann. Jenseits des einen oder der mehreren Induktionsgitter nimmt dann ein Sammelgitter Elektronen direkt auf und gibt ein Signal zum Sammeln aus. Der Vorteil mehrerer Ebenen von Anodengittern besteht darin, dass eine zweidimensionale Rekonstruktion eines Ionisationsereignisses möglich ist, wenn ein Elektron aufgenommen wird, das sich von den mehreren Gittern bewegt.

Gallium

Wenn Sie weniger an der Richtungsabhängigkeit als vielmehr an der Quantität von Neutrino-Wechselwirkungen interessiert sind, kann flüssiges Metall ein nützliches Werkzeug sein. In einem Galliumdetektor passieren Neutrinos einen Tank, der mit Gallium gefüllt ist. Dank der Neutrino-induzierten inversen Beta-Zerfallsreaktion verwandelt das Neutrino, das auf das Galliumatom trifft, eines der Neutronen des Atoms in ein Proton, das Gallium in Germanium umwandelt und ein Elektron freisetzt. Das erzeugte Germanium kann chemisch extrahiert werden und aufgrund seiner Instabilität kann sein Zerfall nachgewiesen werden proportionale Zähler.

Das GALLEX-Experiment in Italien ist eines der bemerkenswertesten Beispiele für Neutrinodetektoren auf Galliumbasis. Der GALLEX-Detektor befand sich tief unter der Erde, um ihn vor kosmischer Strahlung zu schützen. Er bestand aus einem Tank mit 30 Tonnen flüssigem Gallium und lief von 1991 bis 1997. Dieses Experiment spielte eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung solarer Neutrinos und seine Ergebnisse haben erheblich zu unserem beigetragen Verständnis der Sonne und ihrer Prozesse. Sein Nachfolger war das Gallium-Neutrino-Observatorium, das von 1998 bis 2003 in Betrieb war. Das sowjetisch-amerikanische Gallium-Experiment (SAGE) war ein weiterer langjähriger Neutrino-Detektor auf Galliumbasis. Diese Experimente wurden wegen ihrer Fähigkeit zum Nachweis niederenergetischer Neutrinos geschätzt, obwohl sie aufgrund des Bedarfs an vielen Tonnen Gallium, entweder in flüssiger Metallform oder als Galliumtrichlorid-Salzsäure-Lösung, teuer waren.

Zusammenfassung

Die Natur der heutigen Teilchenphysik besteht darin, dass zur Untersuchung aller Arten von Phänomenen eine Vielzahl groß angelegter Experimente erforderlich sind. Dabei handelt es sich keineswegs um eine erschöpfende Liste der Neutrino-Nachweismethoden, sondern vielmehr um einen Leitfaden zu den vielen Methoden, die zur Jagd auf diese schwer fassbaren Teilchen eingesetzt werden können. Es werden neue und aufregendere Detektoren gebaut, die uns hoffentlich weitere Geheimnisse über die subatomaren Teilchen enthüllen, die über die grundlegenden Geheimnisse hinausgehen, die wir in der Physik an der High School lernen. Wenn Sie derzeit Teilchenphysik auf Universitätsniveau studieren, arbeiten Sie möglicherweise noch an einem dieser fortgeschrittenen Neutrino-Projekte!

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• Quelle: https://hackaday.com/2023/11/14/detecting-neutrinos-the-slippery-ghost-particles-that-dont-want-to-interact/