Das Sudbury Neutrino Observatory: Die Neutrinos zählen, die niemand sah

Warum schweres Wasser die ganze Idee war

Gewöhnliches Wasser enthält Wasserstoff, dessen Kern ein einzelnes Proton ist. Schweres Wasser enthält Deuterium, dessen Kern aus einem Proton und einem Neutron besteht. Dieses zusätzliche Neutron unterschied SNO von jedem solaren Neutrinoexperiment davor.

Ein Deuteron lässt sich von jeder der drei Neutrinoarten aufbrechen, über eine Reaktion, der die Art völlig gleichgültig ist. Es kann außerdem eine Reaktion eingehen, die nur Elektron-Neutrinos auslösen können. Ein einziger, durchgehend laufender Detektor lieferte damit zwei unabhängige Zählungen aus demselben Neutrinofluss: wie viele Elektron-Neutrinos ankamen und wie viele Neutrinos insgesamt.

Ein dritter Kanal, die elastische Streuung an Elektronen, spricht überwiegend, aber nicht ausschließlich auf Elektron-Neutrinos an und liefert eine Gegenprobe zwischen den beiden anderen. Frühere Experimente, auch Super-Kamiokande, hatten nur einen solchen Kanal - deshalb konnten sie ein Defizit feststellen, aber nicht dessen Ursache.

Das schwere Wasser wurde nicht gekauft. Tausend Tonnen davon, mehrere hundert Millionen kanadische Dollar wert, wurden aus der nationalen Reserve für Kernreaktoren geliehen, sieben Jahre genutzt und zurückgegeben. Anders war diese Menge nicht zu beschaffen.

Zwei Kilometer tief und außergewöhnlich sauber

Der Detektor lag auf der 6.800-Fuß-Sohle einer aktiven Nickelmine, rund 2.070 Meter unter der Oberfläche - etwa 6.000 Meter Wasseräquivalent an Abschirmung, tiefer als jeder vergleichbare Detektor seiner Zeit. Physiker und Bautrupps erreichten ihn über den Förderkorb der Bergleute und anschließend einen Fußweg von über einem Kilometer.

Das schwere Wasser stand in einem durchsichtigen Acrylgefäß von 12 Metern Durchmesser, das seinerseits in einer fassförmigen Kaverne mit 7.000 Tonnen gewöhnlichem Reinstwasser hing. Rund 9.600 Photovervielfacher auf einer geodätischen Tragstruktur beobachteten das Innenvolumen auf Tscherenkow-Licht.

Die Kontaminationsdisziplin war streng. Jedes Bauteil wurde nach Maßstäben gereinigt, die der Halbleiterfertigung näherstehen als dem Bergbau - denn eine Spur Uran oder Thorium im Acryl oder im Wasser hätte Neutronen erzeugt, die von dem artblinden Signal, auf das sich das Experiment stützte, nicht zu unterscheiden gewesen wären.

Das Experiment lief in drei Phasen, jede mit einer anderen Methode zum Nachweis der Neutronen aus dem aufgebrochenen Deuteron: zunächst schweres Wasser allein, dann mit gelöstem Salz zur besseren Neutroneneinfangrate, schließlich mit eigens eingebauten Neutronendetektoren. Drei unabhängige Methoden, drei übereinstimmende Antworten.

Das Observatorium in Zahlen

SNO nahm von 1999 bis 2006 Daten. Der Standort ist heute SNOLAB, eine erweiterte Untertageanlage mit mehreren anderen Experimenten.

• Standort: Creighton-Mine, Sudbury, Ontario, Kanada, rund 2.070 Meter unter Tage
• Ziel: 1.000 Tonnen schweres Wasser, geliehen von Atomic Energy of Canada Limited
• Gefäß: Acrylkugel von 12 Metern Durchmesser, umgeben von 7.000 Tonnen leichtem Reinstwasser
• Lichtsensoren: rund 9.600 Photovervielfacher
• Kanäle: geladener Strom (nur Elektron-Neutrinos), neutraler Strom (alle drei Arten), elastische Streuung
• Betriebszeit: 1999 bis 2006, in drei Phasen mit unterschiedlichen Neutronennachweisen
• Auszeichnung: Arthur McDonald, Physik-Nobelpreis 2015, gemeinsam mit Takaaki Kajita

Wie das Rätsel geschlossen wurde

Das 2001 veröffentlichte und 2002 bestätigte Ergebnis war eine Rechnung von ungewöhnlicher Klarheit. Der artblinde Kanal maß einen Gesamtneutrinofluss von der Sonne, der eng zum Standard-Sonnenmodell passte. Der Kanal nur für Elektron-Neutrinos maß rund ein Drittel davon.

Die Neutrinos kamen also alle an. Zwei Drittel von ihnen hatten irgendwo zwischen dem Sonnenkern und Ontario schlicht aufgehört, Elektron-Neutrinos zu sein. Die Sonnenmodelle hatten die ganze Zeit recht gehabt, und Raymond Davis jr., dessen Chlorexperiment das Defizit in den 1960er-Jahren zuerst fand, hatte etwas Reales gemessen.

Das ist die Neutrinooszillation, und sie setzt voraus, dass Neutrinos Masse haben. Super-Kamiokande war 1998 aus einer anderen Richtung zum selben Schluss gekommen, über atmosphärische Neutrinos und die Strecke, die sie durch die Erde zurücklegten. Zwei Experimente, verschiedene Quellen, verschiedene Techniken, verschiedene systematische Fehler, eine Antwort.

Diese Übereinstimmung ist der Grund, warum das Ergebnis rasch anerkannt und seither nicht ernsthaft angefochten wurde. Sie ist auch ein brauchbarer Maßstab für andere Behauptungen: Eine Messung wird zur Entdeckung, wenn ein unabhängiges Experiment, das ihr hätte widersprechen können, es nicht tut.

Was SNO nicht belegt hat

Es hat die Neutrinomassen nicht gemessen, sondern nur gezeigt, dass mindestens zwei davon ungleich null sind. Die absolute Skala blieb offen - genau die Frage, die KATRIN später direkt angehen sollte.

Es sagte außerdem nichts darüber aus, ob sich aus dem solaren Neutrinofluss nutzbare Energie gewinnen lässt, und konnte es auch nicht. Die Größenordnung des Experiments macht den Punkt: tausend Tonnen geliehenes schweres Wasser, zwei Kilometer Gestein darüber, sieben Jahre Laufzeit - für insgesamt einige tausend Wechselwirkungen.

Diese Zahl gehört jedes Mal dazu, wenn die Häufigkeit solarer Neutrinos ins Feld geführt wird. Rund 65 Milliarden von ihnen durchqueren jeden Quadratzentimeter der Erde pro Sekunde, und SNO - eigens gebaut, hervorragend abgeschirmt, mit dem reaktionsfreudigsten praktikablen Ziel - registrierte einige pro Tag. Der Fluss ist gewaltig und die Kopplung vernachlässigbar, und beides stimmt gleichzeitig.

Die davon getrennte Frage der Neutrinovoltaik-Forschung betrifft Umgebungsstrahlung und thermische Fluktuationen an einer konstruierten Materialoberfläche, nicht das Einfangen solarer Neutrinos. SNO spricht zum Zweiten und nicht zum Ersten.