Neutrinos erstmals mit tragbarem Detektor in einem Atomkraftwerk gemessen

Um Neutrinos nachzuweisen, braucht man eigentlich riesige Kammern mit Wasser und hunderte oder tausende von hochempfindlichen Licht-Detektoren. Denn diese Elementarteilchen interagieren so gut wie gar nicht mit Materie – daher auch ihr Spitzname "Geisterteilchen". Nur wenn ein Neutrino mit einem Elektron, Proton oder Neutron zusammenstößt, was äußerst selten geschieht, entsteht ein Lichtblitz, der mit einem Detektor nachgewiesen werden kann.

Nicola Ackermann vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und sein Team haben einen wesentlich kleineren, handlichen Detektor konstruiert, mit dem sie Neutrinos aus einem Kernkraftwerk messen konnten.

Warum will man Neutrinos aus Reaktoren messen?

Speziell bei dieser Arbeit ging es zunächst um Grundlagenforschung. Die Wechselwirkung von Neutrinos mit dem Detektor beschreibt das Standardmodell der Teilchenphysik. Die Messungen sollten zeigen, ob sich die theoretische Vorhersage bestätigen lässt – was tatsächlich der Fall ist.

Neutrinos entstehen bei der Kernfusion in der Sonne, aber auch durch Supernova-Explosionen. Besonders energiereiche Neutrinos sind daher Spuren, die auf kosmische Großereignisse hinweisen.

Die meisten auf der Erde nachgewiesenen Neutrinos entstehen, wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft. Antineutrinos entstehen aber auch bei radioaktiven Zerfällen – also beispielsweise in Atomkraftwerken. Mithilfe von Neutrino-Messungen ließe sich – zumindest theoretisch – aber auch überprüfen, ob in Atomkraftwerken illegal Plutonium erbrütet wird, etwa für ein militärisches Programm.

Das Energie-Spektrum dieser Antineutrinos kann im Prinzip verraten, ob in einem Atomreaktor waffenfähiges spaltbares Material hergestellt wird. In Großbritannien entsteht solch ein Detektor, weltweit wird auch an anderen Anwendungen für Neutrinos geforscht.

Wie funktioniert der kompakte Detektor?

Das Prinzip, das Ackermann und sein Team nutzen, nennt sich "kohärente Streuung". Im Wesentlichen nutzen die Forschenden aus, dass Materieteilchen sich auf Quanten-Ebene auch wie Wellen verhalten können. Je geringer die Energie der Teilchen ist, desto länger ist ihre Wellenlänge. Wenn die Wellenlänge der Neutronen ähnlich zu der Materie-Wellenlänge der Atomkerne im Detektor ist, "sieht" das Neutrino die Atomkerne nicht mehr als eine Ansammlung kleinerer Teilchen mit viel Leerraum, sondern als Ganzes. Die Wahrscheinlichkeit für eine Kollision steigt also – der Detektor kann kleiner und leichter sein.

Das Prinzip zeigte 2017 erstmals Kate Scholberg, Physikerin an der Duke University in Durham, North Carolina – allerdings mit energiereicheren Neutrinos, die sich leichter nachweisen lassen.

Dieser Beitrag ist zuerst auf t3n.de erschienen.

(wst)