Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Die Europäische Physikalische Gesellschaft (EPS) hat heute bekannt gegeben, dass sie den „Giuseppe und Vanna Cocconi-Preis 2021“ an die Borexino-Kollaboration vergeben wird: Damit würdigt sie deren bahnbrechende Beobachtungen von solaren Neutrinos, die als Botschafter verschiedener Kernfusionsprozesse in der Sonne dienen. Durch ihre Arbeiten konnte die Borexino-Kollaboration, zu der auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Exzellenzclusters PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz zählen, zahlreiche Informationen über die beiden im Inneren der Sonne ablaufenden Fusionsprozesse gewinnen – die Proton-Proton-Reaktion und den so genannten CNO-Zyklus. Die Preisverleihung findet im Rahmen der diesjährigen virtuellen „European Physical Society Conference on High Energy Physics“ (EPS-HEP-Konferenz) am 26. Juli 2021 statt.

Um Energie zu erzeugen, wandelt die Sonne als gigantischer Fusionsreaktor kontinuierlich Wasserstoff in Helium um – diesen Prozess bezeichnen Forscher auch als Wasserstoffbrennen. Dabei nutzt die Sonne im Wesentlichen zwei Wege: Die Proton-Proton-Reaktion (pp-Reaktion) startet mir der direkten Verschmelzung zweier Wasserstoffkerne und über die Zwischenstufe Deuterium entsteht schließlich Helium. An der zweiten Reaktionskette sind hingegen die schwereren Elemente Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) beteiligt. Sie wird daher als CNO-Zyklus oder auch Bethe-Weizsäcker-Zyklus bezeichnet. Während in leichten Sternen wie der Sonne die pp-Reaktion dominiert, ist der CNO-Zyklus in schweren und heißeren Sternen der Hauptprozess zur Energiegewinnung.

Botschafter aus dem Sonnenfeuer
Bei allen Fusionsprozessen im Innern der Sonne entstehen neben Helium und gewaltigen Mengen Energie, die die Sterne leuchten lässt, auch unzählige Neutrinos. Milliardenfach erreichen sie die Erde und durchdringen sie normalerweise ungehindert. Das Borexino-Experiment kann solche Neutrinos aufspüren und analysieren. Während die Kollaboration in den letzten Jahren Neutrinos aus mehreren Reaktionen entlang der pp-Kette nachweisen konnte, hat sie kürzlich explizit Neutrinos aus dem CNO-Zyklus identifiziert, die im Vergleich deutlich weniger zahlreich sind. Damit hat sie den ersten experimentellen Beweis für das Auftreten des CNO-Zyklus in der Sonne erbracht. Mehr noch: Die Ergebnisse ebnen darüber hinaus den Weg für ein besseres Verständnis der elementaren Zusammensetzung des Sonnenkerns insbesondere im Hinblick darauf, wie häufig neben Wasserstoff und Helium schwerere Elemente wie eben Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Sonnenplasma zu finden sind – Forscher sprechen hier von der „Metallizität“.

„Wir haben durch unser Experiment inzwischen ein recht vollständiges Bild von den Vorgängen im Sonneninneren bekommen“, sagt Prof. Dr. Michael Wurm, Neutrinophysiker bei PRISMA+ und Mitglied der Borexino-Kollaboration. „Das ist der gemeinsame Verdienst von zahlreichen Kolleginnen und Kollegen aus aller Welt. Dass dies nun mit dem Guiseppe und Vanna Cocconi Preis gewürdigt wird, freut mich sehr.“

Über den Borexino-Detektor
Der Borexino-Detektor sammelt seit 2007 Daten zu den solaren Neutrinos. Er befindet sich im größten unterirdischen Labor der Welt, den Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italien. Das Herzstück des Borexino-Detektors ist ein extrem dünnwandiger, kugelförmiger Nylonballon, der 280 Tonnen einer speziellen Szintillatorflüssigkeit enthält. Nur einige hundert Mal am Tag kommt es vor, dass ein Neutrino mit dem Detektormaterial wechselwirkt. Dann entstehen winzige Lichtblitze, die von rund 2.000 extrem empfindlichen Photosensoren erfasst werden.

Um sicher zu gehen, dass die detektierten Signale tatsächlich von Neutrinos stammen, müssen die Wissenschaftler andere mögliche Signalquellen ausschalten oder bei der Datenanalyse herausfiltern – vor allem die natürliche Radioaktivität und die Störung durch kosmische Strahlung, hier vor allem Myonen. Denn obwohl sich der Tank abgeschirmt unter einer 1.400 Meter dicken Gesteinsschicht im Gran-Sasso-Bergmassiv in der Nähe von Rom befindet, können einige Myonen ihn dennoch erreichen. Durch radioaktive Zerfälle können sie Signale hervorrufen, die sich auf den ersten Blick nicht von einem echten Neutrinosignal unterscheiden lassen. Die Spezialität der Mainzer Gruppe in der Borexino-Kollaboration ist es, ausgeklügelte Analysetechniken zu entwickeln, die helfen, solche Untergrund-Ereignisse zu unterdrücken, um so die seltenen Neutrinosignale sicher identifizieren zu können.

Über den Guiseppe und Vanna Cocconi Preis
Die EPS vergibt den „Guiseppe und Vanna Cocconi Preis“ seit 2011 alle zwei Jahre. Mit dem Preis zeichnet sie einen herausragenden Beitrag zur Astroteilchenphysik und Kosmologie aus den letzten fünfzehn Jahren aus. Der Preis wird für experimentelle, theoretische oder technologische Arbeiten vergeben, ausgezeichnet werden eine oder mehrere Einzelpersonen oder eine oder mehrere Kollaborationen.

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• JGU: Erstmals solare CNO-Neutrinos beobachtet (25. November 2020)
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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Borexino-Kollaboration haben den ersten experimentellen Beweis für das Auftreten des sogenannten CNO-Zyklus in der Sonne erbracht: Sie konnten charakteristische Neutrinos, die bei diesem Fusionsprozess entstehen, direkt beobachten. Dies ist ein wichtiger Meilenstein hin zu einem vollständigen Verständnis der Fusionsprozesse in der Sonne. Mehr noch: Während der CNO-Zyklus in der Sonne eine untergeordnete Rolle spielt, ist er in Sternen, die wesentlich schwerer und damit heißer sind als die Sonne, vermutlich der vorherrschende Weg, um Energie zu gewinnen. Die Ergebnisse der Borexino-Kollaboration sind in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Wie erzeugt die Sonne Energie? Als gigantischer Fusionsreaktor wandelt sie kontinuierlich Wasserstoff in Helium um – diesen Prozess bezeichnen Forscher auch als Wasserstoffbrennen. Dabei nutzt die Sonne im Wesentlichen zwei Wege: Die Proton-Proton-Reaktion (pp-Reaktion) startet mir der direkten Verschmelzung zweier Wasserstoffkerne und über die Zwischenstufe Deuterium entsteht schließlich Helium. An der zweiten Reaktionskette sind hingegen die schwereren Elemente Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) beteiligt. Sie wird daher als CNO-Zyklus oder auch Bethe-Weizsäcker-Zyklus bezeichnet. Während in leichten Sternen wie der Sonne die pp-Reaktion dominiert, ist der CNO-Zyklus in schweren und heißeren Sternen der Hauptprozess zur Energiegewinnung.

Bei allen Fusionsprozessen im Innern der Sonne entstehen neben Helium und gewaltigen Mengen Energie, die die Sterne leuchten lässt, unter anderem auch unzählige Neutrinos. Milliardenfach erreichen sie die Erde und durchdringen sie normalerweise ungehindert. „Mit dem riesigen Detektor des Borexino-Experiments 1.400 Meter unter Erde können wir diese Neutrinos aber aufspüren“, sagt Prof. Dr. Michael Wurm, Neutrinophysiker am Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und Mitglied der Borexino-Kollaboration. „Dann erlauben sie einen unverhüllten Blick auf die Vorgänge im Sonneninneren.“

Während die Borexino-Kollaboration in den letzten Jahren Neutrinos aus mehreren Reaktionen entlang der pp-Kette nachweisen konnte, hat sie in der aktuellen Arbeit explizit Neutrinos aus dem CNO-Zyklus identifiziert, die im Vergleich deutlich weniger zahlreich sind. „Obwohl wir aufgrund von Modellrechnungen erwartet haben, dass der CNO-Zyklus auch in der Sonne abläuft, ist er doch bisher nie direkt beobachtet worden. Nur ein charakteristisches Neutrinosignal kann den endgültigen Beweis für sein Auftreten liefern – und dies haben wir nun zweifelsfrei nachgewiesen.“

Mehr noch: Das Forschungsteam konnte auch den Gesamtfluss der CNO-Neutrinos, die auf der Erde ankommen, abschätzen. Mit etwa 700 Millionen von ihnen, die pro Sekunde durch einen Quadratzentimeter fliegen, beträgt ihr Anteil etwa ein Hundertstel der Gesamtzahl der solaren Neutrinos. „Das passt wunderbar zu den theoretischen Erwartungen, nach denen der CNO-Zyklus in der Sonne für etwa ein Prozent der gewonnenen Energie verantwortlich ist“, sagt Dr. Daniele Guffanti, Postdoc in der Gruppe von Michael Wurm und ebenfalls Mitglied der Borexino-Kollaboration.

Die beiden Mainzer Neutrinophysiker werten die neuen Ergebnisse als wichtigen Meilenstein hin zu einem vollständigen Verständnis der Fusionsprozesse, die unsere Sonne, aber auch schwere Sterne antreiben und im Universum leuchten lassen. Sie ebnen darüber hinaus den Weg für ein besseres Verständnis der elementaren Zusammensetzung des Sonnenkerns insbesondere im Hinblick darauf, wie häufig neben Wasserstoff und Helium schwerere Elemente wie eben Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Sonnenplasma zu finden sind – Forscher sprechen hier von der „Metallizität“. Auch hierfür sind Neutrinos die einzigen direkten Botschafter.

Über den Borexino-Detektor
Der Borexino-Detektor sammelt seit 2007 Daten zu den solaren Neutrinos. Er befindet sich im größten unterirdischen Labor der Welt, den Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italien. Das Herzstück des Borexino-Detektors ist ein extrem dünnwandiger, kugelförmiger Nylonballon, der 280 Tonnen einer speziellen Szintillatorflüssigkeit enthält. Nur einige hundert Mal am Tag kommt es vor, dass ein Neutrino mit dem Detektormaterial wechselwirkt. Dann entstehen winzige Lichtblitze, die von rund 2.000 extrem empfindlichen Sensoren erfasst werden.

Um sicher zu gehen, dass die detektierten Signale tatsächlich von Neutrinos stammen, müssen die Wissenschaftler andere mögliche Signalquellen ausschalten oder bei der Datenanalyse herausfiltern – vor allem die natürliche Radioaktivität und die Störung durch kosmische Strahlung, hier vor allem Myonen. Denn obwohl sich der Tank abgeschirmt unter einer 1.400 Meter dicken Gesteinsschicht im Gran-Sasso-Bergmassiv in der Nähe von Rom befindet, können einige Myonen ihn dennoch erreichen. Durch radioaktive Zerfälle können sie Signale hervorrufen, die sich auf den ersten Blick nicht von einem echten Neutrinosignal unterscheiden lassen. Die Spezialität der Mainzer Gruppe ist es, ausgeklügelte Analysetechniken zu entwickeln, die helfen, solche Untergrund-Ereignisse zu unterdrücken, um so die seltenen Neutrinosignale sicher identifizieren zu können.

Veröffentlichung:
The Borexino Collaboration, “Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun”, Nature – 25 November 2020
DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0

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Quelle: Forschungszentrum Jülich.

Mit dem Update konnten die Forscher nun auf 53 gemessene Ereignisse zurückgreifen – beinahe doppelt so viele wie bei der vorherigen Auswertung der Daten des Borexino-Detektors, der 1.400 Meter tief unter der Erdoberfläche im Gran-Sasso-Massiv bei Rom gelegen ist. Die Ergebnisse geben einen exklusiven Einblick in Prozesse und Verhältnisse im Erdinneren, die bis heute immer noch rätselhaft sind.

Unser Planet leuchtet, auch wenn es mit dem bloßen Auge nicht zu sehen ist. Grund dafür sind Geoneutrinos, die in radioaktiven Zerfallsprozessen im Innern der Erde entstehen. Jede Sekunde durchdringen etwa eine Million davon jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche. Das Borexino-Instrument im größten Untergrundlabor der Welt, das Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italien, ist einer der wenigen Detektoren weltweit, die in der Lage sind, die spukhaften Teilchen zu erfassen.

Bereits seit 2007, also seit über zehn Jahren, sammeln Forscher mit Borexino Daten über Neutrinos. Bis 2019 konnten sie doppelt so viele Ereignisse wie zum Zeitpunkt der letzten Auswertung im Jahr 2015 registrieren – und die Unsicherheit der Messungen von 27 auf 18 Prozent herunterschrauben, was auch auf neue Analysemethoden zurückzuführen ist.

„Geoneutrinos sind die einzigen direkten Spuren der radioaktiven Zerfälle, die irgendwo im Inneren der Erde stattfinden und die einen noch unbekannten Teil der Energie erzeugen, die die gesamte Dynamik unseres Planeten antreibt“, erklärt Livia Ludhova, eine der beiden aktuellen wissenschaftlichen Koordinatoren von Borexino und Leiterin der Neutrino-Gruppe des Instituts für Kernphysik am Forschungszentrum Jülich.

Den Forschern der Borexino-Kollaboration ist es gelungen, das Signal von Geoneutrinos aus dem Erdmantel, der sich unter der Erdkruste befindet, über den bekannten Beitrag des oberen Erdmantels und der Erdkruste – der so genannten Lithosphäre – zu bestimmen.
Die Verhältnisse im Inneren der Erde sind in vielerlei Hinsicht einzigartig im gesamten Sonnensystem. Man denke etwa an das intensive Magnetfeld, die unablässige vulkanische Aktivität, die Bewegung der tektonischen Platten und die sogenannte Mantelkonvektion. Die Frage, aus welchen Quellen sich die innere Wärme der Erde speist, beschäftigt Wissenschaftler bereits seit über 200 Jahren.

„Die Hypothese, dass in der Tiefe keine Radioaktivität mehr vorhanden ist, kann jetzt mit 99-prozentiger Sicherheit ausgeschlossen werden. Das ermöglicht es nun zum ersten Mal, einen Mindestgrenzwert für die Uran und Thorium Häufigkeiten im Erdmantel festzulegen“, konstatiert Livia Ludhova.

Die Werte sind für unterschiedliche Erdmodell-Rechnungen interessant. So lässt sich mit hoher, konkret: 85-prozentiger Wahrscheinlichkeit daraus ableiten, dass radioaktive Zerfallsprozesse im Inneren der Erde mehr als die Hälfte der inneren Wärme der Erde erzeugen. Die andere Hälfte stammt zum Großteil noch aus der ursprünglichen Formation unseres Planeten. Radioaktive Prozesse in der Erde stellen demnach einen nicht zu vernachlässigenden Teil der Energie bereit, die Vulkane, Erdbeben und das Erdmagnetfeld antreibt.

Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Phys. Rev. D publiziert. Die Veröffentlichung stellt über die neuen Resultate hinaus eine umfassende physikalische und geologische Analyse vor, die für die nächste Generation von Flüssig-Szintillator-Detektoren zur Messung von Geoneutrinos hilfreich sein wird. Die nächste Herausforderung für die Forschung mit Geoneutrinos besteht nun darin, Geoneutrinos aus dem Erdmantel mit größerer Präzision zu messen: vielleicht mit Detektoren, die an verschiedenen Positionen auf unserem Planeten verteilt sind. Ein solcher Detektor wird der JUNO-Detektor in China sein, an dem die Jülicher Neutrino-Gruppe ebenfalls beteiligt ist. Der Detektor wird um einen Faktor 70 größer sein als Borexino, was dazu beiträgt, dass schon in einer kurzen Zeitspanne eine höhere statistische Signifikanz erreicht werden kann.

Originalpublikation:

Comprehensive geoneutrino analysis with Borexino
M. Agostini, K. Altenmüller, S. Appel, V. Atroshchenko, Z. Bagdasarian, D. Basilico, G. Bellini, J. Benziger, D. Bick, G. Bonfini, D. Bravo, B. Caccianiga, F. Calaprice, A. Caminata, L. Cappelli, P. Cavalcante, F. Cavanna, A. Chepurnov, K. Choi, D. D’Angelo, S. Davini, A. Derbin, A. Di Giacinto, V. Di Marcello, X.F. Ding,h,l, A. Di Ludovico, L. Di Noto, I. Drachnev, G. Fiorentini, A. Formozov, D. Franco, F. Gabriele, C. Galbiati, M. Gschwender, C. Ghiano, M. Giammarchi, A. Goretti, M. Gromov, D. Guanti, C. Hagner, E. Hungerford, Aldo Ianni, Andrea Ianni, A. Jany, D. Jeschke, S. Kumaran, V. Kobychev, G. Korga, T. Lachenmaier, T. Lasserre, M. Laubenstein, E. Litvinovich, P. Lombardi, I. Lomskaya, L. Ludhova, G. Lukyanchenko, L. Lukyanchenko, I. Machulin, F. Mantovani, G. Manuzio, S. Marcocci, J. Maricic, J. Martyn, E. Meroni, M. Meyer, L. Miramonti, M. Misiaszek, M. Montuschi, V. Muratova, B. Neumair, M. Nieslony, L. Oberauer, A. Onillon, V. Orekhov, F. Ortica, M. Pallavicini, L. Papp, Ö. Penek, L. Pietrofaccia, N. Pilipenko, A. Pocar, G. Raikov, M.T. Ranalli, G. Ranucci, A. Razeto, A. Re, M. Redchuk,w, B. Ricci, A. Romani, N. Rossi,1, S. Rottenanger, S. Schönert, D. Semenov, M. Skorokhvatov, O. Smirnov, A. Sotnikov, V. Strati, Y. Suvorov, R. Tartaglia, G. Testera, J. Thurn, E. Unzhakov, A. Vishneva, M. Vivier, R.B. Vogelaar, F. von Feilitzsch, M. Wojcik,M. Wurm, O. Zaimidoroga, S. Zavatarelli, K. Zuber, G. Zuzel

Phys. Rev. D (21 January 2020), DOI: 10.1103/PhysRevD.101.012009

Synopsis in Physics: Earth As a Neutrino Source (21 January 2020)

Weitere Informationen:

Die Ergebnisse gehen auf eine großangelegte Zusammenarbeit der gesamten Borexino-Kollaboration zurück. Ein großer Teil der Datenanalyse wurde von Sindhujha Kumaran im Rahmen ihrer Masterarbeit und ersten Teils ihrer Doktorarbeit unter der Leitung von Livia Ludhova erbracht. Darüber hinaus gibt es noch 3 weitere Koautoren, nämlich Zara Bagdasarian, Ömer Penek und Mariia Redchuk, die ebenfalls zur Neutrinogruppe am Jülicher Kernphysikalischen Institut (IKP) gehören.

Neutrino-Gruppe, Institut für Kernphysik, Forschungszentrum Jülich

Neutrino-Physik, Institut für Kernphysik, Forschungszentrum Jülich

Borexino-Experiment

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