Das Gallium Neutrino Observatorium GNO

Sonnenneutrinos

Die Sonne bietet uns eine interessante Neutrinoquelle. In ihrem Inneren fusionieren Protonen zu Heliumkernen, wobei Elektron-Neutrinos emittiert werden. Mit GNO wird der Fluss dieser Neutrinoart auf der Erde gemessen, wobei GNO im wesentlichen die niederenergetischen Neutrinos nachweist, die in der dominanten Reaktion in der Sonne - der Fusion zweier Protonen - enstehen. Zwischen der gut bekannten Strahlungsintensität der Sonne und dem zu erwartenden Fluss an Sonnen-Neutrinos besteht ein fester Zusammenhang. Danach beträgt der erwartete Neutrinofluss auf der Erde insgesamt etwa 60 Milliarden Neutrinos pro Sekunde und pro Quadratzentimeter.

Neutrinonachweis

Die Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie ist extrem schwach. Deshalb sind für den Nachweis der Neutrinos Detektoren mit mehreren Tonnen Masse nötig. GNO verwendet dazu einen Tank mit 100t Galliumtrichloridlösung, was 30t Gallium entspricht. Trotz des hohen Neutrinoflusses durch den Tank findet im Durchschnitt nur alle 35 Stunden eine Wechselwirkung eines Neutrinos mit einem Galliumkern statt. Der direkte Nachweis dieser Wechselwirkung ist nicht möglich. Allerdings hinterlässt das Neutrino eine verräterische Spur: ein Galliumkern wandelt sich durch den Einfang des Neutrinos in ein Isotop des Elements Germanium um.

Der GNO-Tank im Gran Sasso Untergrundlabor in Italien. Er enthält 100t flüssiges Galliumtrichlorid. Davon sind 30t Gallium das eigentliche Nachweismaterial. Bei einem Neutrinoeinfang wandelt sich ein Galliumkern in das Element Germanium um. Durch Zuleitungen wird Stickstoffgas durch den Tank geleitet, mit dem diese Atome extrahiert werden.

Während der mehrwöchigen Exposition des Tanks zerfallen die entstandenen Germaniumkerne teilweise durch radioaktiven Zerfall. Schließlich stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Entstehung und Zerfall dieser Kerne ein. Doch selbst nach vier Wochen befinden sich nur etwa 10 Germaniumatome im Tank. Im Vergleich zur Zahl der Galliumatome ist das ein extrem kleiner Bruchteil.

Die experimentelle Herausforderung liegt in der Extraktion dieser wenigen Kerne aus dem Tank. Dazu wurde ein chemisches Verfahren mit einer Effizienz von 95-98% entwickelt. Die Effizienz wird durch Zugabe und Extraktion einer bekannten Menge eines stabilen Germaniumisotops laufend überprüft.

Zum Nachweis der neutrinoproduzierten Kerne wird die aus dem Tank entfernte Germaniummenge in ein miniaturisiertes Zählrohr gefüllt, wo der radioaktive Zerfall einzelner Germaniumkerne detektiert wird. Zum Nachweis der äußerst geringen Zahl von Atomen sind höchste Anforderungen an die Reinheit der verwendeten Materialien und an die Abschirmung der kosmischen Strahlung zu erfüllen. Aus der Zahl der beobachteten Zerfälle kann auf den Fluss der Neutrinos durch den Tank geschlossen werden.

Resultate und Ziele

Aufgrund der geringen Zahl der erzeugten Kerne ist die statistische Ungenauigkeit des Ergebnisses einer einzelnen solchen Messung relativ groß. Erst die gemeinsame Auswertung vieler sogenannter "solar runs" liefert das Resultat des gesamten Experiments. Im Gallium-Experiment (GALLEX) wurden 65 "solar runs" in der Zeit von 1991 bis 1997 durchgeführt. Im Mai 1998 wurde die Messung des solaren Neutrinoflusses mit einem routinemäßig betriebenen Observatorium durch die neu gegründete Kollaboration GNO wieder aufgenommen. Dabei wurden die Ziele neu gesteckt: neben der Langzeitmessung des Flusses solarer Neutrinos, um zeitliche Variationen feststellen zu können, möchte man die Genauigkeit durch die Verwendung verbesserter Nachweismethoden erhöhen. Dabei sollen zum Beispiel neuartige Tieftemperaturdetektoren zum Einsatz kommen.

Das Ergebnis von GALLEX und GNO liegt niedriger als Modellrechnungen der Sonne erwarten lassen. Neutrinooszillationen sind eine plausible Erklärung für das beobachtete Defizit. Neben GALLEX und GNO haben auch alle anderen Experimente, die den Fluss solarer Neutrinos in anderen Energiebereichen vermessen, ein solches Defizit festgestellt.

Links

Beteiligte Institute