Neutrinoquellen: Woher kommen Neutrinos?

Was ist eine Neutrinoquelle – und warum gibt es so viele?

Ein Neutrino entsteht überall dort, wo die schwache Kernkraft am Werk ist – vor allem beim Beta-Zerfall von Atomkernen sowie bei Kernfusion und Kernspaltung. Weil diese Prozesse im gesamten Kosmos ablaufen, von Sternenkernen bis zu radioaktiven Gesteinen, existiert nicht eine einzige Neutrinoquelle, sondern ein ganzes Spektrum.

Neutrinoquellen unterscheidet man am besten anhand zweier Größen: dem Fluss (wie viele Teilchen pro Fläche und Sekunde die Erde erreichen) und der typischen Energie – von Bruchteilen eines Elektronvolts bis in den Peta-Elektronvolt-Bereich, also das Billiardenfache. Beide Größen bestimmen, mit welchem Detektor sich eine Quelle überhaupt beobachten lässt. Grob gilt: Je niedriger die Energie, desto größer der Fluss, aber desto schwieriger der Nachweis.

Alle Neutrinos gehören zu einer von drei Familien oder „Flavours" – Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Auf ihrem Weg wandeln sie sich durch Neutrino-Oszillation ineinander um, sodass die am Ziel gemessene Zusammensetzung von der an der Quelle erzeugten abweicht. Das ist der Grund, warum die Herkunft eines Neutrinos und sein gemessener Flavour zwei verschiedene Dinge sind.

Die kosmische Neutrino-Hintergrundstrahlung: die zahlreichste Quelle

Die mit Abstand zahlreichste Quelle von Neutrinos ist auch die am schwersten fassbare: die kosmische Neutrino-Hintergrundstrahlung (englisch Cosmic Neutrino Background, CνB). Diese Reliktneutrinos entkoppelten etwa eine Sekunde nach dem Urknall von der übrigen Materie – und damit rund 380.000 Jahre früher als die Photonen der bekannteren kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, die erst mit der Rekombination der Atome freigesetzt wurden.

Nach dem Standardmodell der Kosmologie durchdringen heute rund 336 Reliktneutrinos jeden Kubikzentimeter Raum – etwa 56 pro Flavour und Antiflavour. In jedem Menschen und jedem Gegenstand stecken also Millionen dieser Teilchen. Ihre Temperatur beträgt nur etwa 1,95 Kelvin, ihre Energie liegt im Bereich von Mikro- bis Milli-Elektronvolt.

Genau diese winzige Energie macht die CνB bislang zu einer indirekt erschlossenen Quelle: Ihre Existenz ist aus der primordialen Nukleosynthese und der Struktur des frühen Universums bestens belegt, ein direkter Einzelnachweis steht aber noch aus. Das Experiment PTOLEMY verfolgt das langfristige Ziel, diese Reliktneutrinos erstmals direkt einzufangen.

Solare Neutrinos: der stärkste Fluss am Taghimmel

Unter den nachweisbaren Quellen liefert die Sonne den mit Abstand größten Neutrinofluss an der Erde. In ihrem Kern verschmilzt Wasserstoff zu Helium, und jede dieser Fusionsketten setzt Elektron-Neutrinos frei. Etwa 6 × 10^10 solare Neutrinos durchqueren pro Sekunde jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche – Tag und Nacht, denn die Erde ist für sie praktisch durchsichtig.

Die meisten dieser Neutrinos stammen aus der sogenannten pp-Reaktion und tragen weniger als 0,42 MeV. Seltenere Zweige wie der Bor-8-Prozess erzeugen energiereichere Neutrinos bis etwa 15 MeV, die für frühe Detektoren leichter zugänglich waren.

Solare Neutrinos schrieben Wissenschaftsgeschichte: Ab den späten 1960er-Jahren maß Raymond Davis im Homestake-Experiment nur etwa ein Drittel der Zahl, die John Bahcall aus dem Sonnenmodell vorhergesagt hatte. Für diese Pionierarbeit erhielt Davis 2002 gemeinsam mit Masatoshi Koshiba den Physik-Nobelpreis. Das „solare Neutrinoproblem" selbst wurde erst 2001/2002 durch das Sudbury Neutrino Observatory (SNO) gelöst – die fehlenden Neutrinos hatten sich unterwegs in andere Flavours umgewandelt. Die dahinterstehende Neutrino-Oszillation und die damit verbundene Neutrinomasse wurden 2015 mit dem Physik-Nobelpreis an Takaaki Kajita und Arthur McDonald ausgezeichnet.

Atmosphärische und Beschleuniger-Neutrinos: aus der Höhe und aus dem Labor

Atmosphärische Neutrinos entstehen, wenn kosmische Strahlung auf die obere Erdatmosphäre trifft. Dabei bilden sich Pionen und Kaonen, die zu Myonen und Neutrinos zerfallen. Ihre Energien reichen typischerweise von etwa 100 MeV bis in den TeV-Bereich, ihr Fluss ist jedoch weit geringer als der solare.

Gerade an atmosphärischen Neutrinos entdeckte das Super-Kamiokande-Experiment 1998 die Neutrino-Oszillation: Es kamen weniger Myon-Neutrinos „von unten" (durch die Erde) an als „von oben", weil sie auf dem längeren Weg den Flavour gewechselt hatten. Für diese Entdeckung wurde Takaaki Kajita 2015 mit dem Nobelpreis geehrt.

Von Menschen erzeugte Beschleuniger-Neutrinos sind das Gegenstück im Labor. In Anlagen wie Fermilab (USA) oder J-PARC (Japan) erzeugen Protonenstrahlen gebündelte Neutrinostrahlen im GeV-Bereich, die über Hunderte Kilometer zu fernen Detektoren geschickt werden. Weil man ihre Richtung, Zeit und Zusammensetzung genau kennt, sind sie das Präzisionswerkzeug der Oszillationsforschung – etwa bei der Vermessung des Mischungswinkels θ13, den das Reaktorexperiment Daya Bay 2012 präzise bestimmte.

Reaktor- und Geoneutrinos: aus Kraftwerk und Erdinnerem

Reaktor-Neutrinos sind Elektron-Antineutrinos aus dem Beta-Zerfall der Spaltprodukte in Kernreaktoren. Ein einzelner Leistungsreaktor sendet etwa 10^20 Antineutrinos pro Sekunde aus, mit Energien von wenigen MeV. Weil ihr Fluss stark und ihre Quelle kontrollierbar ist, waren Reaktoren der Schauplatz des allerersten Neutrinonachweises: 1956 gelang Clyde Cowan und Frederick Reines am Savannah-River-Reaktor der historische Beweis.

Geoneutrinos stammen aus dem radioaktiven Zerfall natürlicher Elemente im Erdinneren – vor allem Uran-238, Thorium-232 und Kalium-40. Auch sie sind Elektron-Antineutrinos, mit Energien bis etwa 3,3 MeV. Ihr Fluss an der Oberfläche liegt in der Größenordnung von 10^6 pro Quadratzentimeter und Sekunde.

Geoneutrinos sind mehr als eine Kuriosität: Sie verraten, wie viel der Erdwärme aus radioaktivem Zerfall stammt. Das Experiment KamLAND (Japan) lieferte 2005 den ersten Nachweis von Geoneutrinos, später bestätigt und ergänzt durch Borexino (Italien) – zusammen liefern sie einen einzigartigen Blick ins sonst unzugängliche Erdinnere.

Supernovae und astrophysikalische Quellen: seltene, gewaltige Ausbrüche

Wenn ein massereicher Stern als Kernkollaps-Supernova explodiert, wird nahezu 99 Prozent der freigesetzten Energie in Form von Neutrinos abgestrahlt – ein Ausbruch von rund 10^58 Teilchen mit Energien um 10 bis 20 MeV, der nur Sekunden dauert.

Der einzige bislang direkt beobachtete Fall ist die Supernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke. Am 23. Februar 1987 registrierten die Detektoren Kamiokande-II, IMB und Baksan zusammen rund zwei Dutzend Neutrinos – Stunden bevor das Licht der Explosion eintraf. Diese Handvoll Ereignisse begründete die Neutrino-Astronomie.

Noch energiereicher sind astrophysikalische Neutrinos aus fernen Galaxienkernen. 2017 verfolgte das IceCube-Observatorium in der Antarktis ein einzelnes hochenergetisches Neutrino zurück zum Blazar TXS 0506+056 – dem ersten identifizierten Punkt am Himmel für Neutrinos jenseits von Sonne und Supernova. Solche Beobachtungen sind der Kern der Multi-Messenger-Astronomie, die Neutrinos mit Licht und Gravitationswellen kombiniert. Eine geordnete Gesamtübersicht bietet die Seite zu den Neutrinoquellen im Detail, gemessen wird an den Neutrino-Observatorien.

Neutrinoquellen als Energieforschung: der Ansatz der Neutrino Energy Group

Die enorme Allgegenwart von Neutrinos wirft eine naheliegende Frage auf: Lässt sich aus diesem ständigen Teilchenstrom nutzbarer Strom gewinnen? Genau hier setzt die Forschung der Neutrino Energy Group (gegründet 2008 in Berlin von Holger Thorsten Schubart) an. Ihr Konzept Neutrinovoltaic untersucht, ob eine patentierte Mehrschicht aus Graphen und Silizium winzige Impulse aus dem umgebenden Strahlungsfeld – nicht nur Neutrinos, sondern auch andere Komponenten des kosmischen und thermischen Untergrunds – in elektrische Energie umwandeln kann.

Wichtig zur Einordnung: Es handelt sich um Grundlagenforschung in Entwicklung, nicht um ein käufliches oder fertig nachgewiesenes Produkt. Als physikalische Ankerpunkte dienen der Nobelpreis 2015 zur Neutrinomasse sowie Arbeiten zur Gleichrichtung thermischer Bewegung in freistehendem Graphen (Thibado-Gruppe). Wie aus einer Quelle prinzipiell Energie geerntet werden könnte, behandelt die Seite zum Energy Harvesting.