Kleines Lehrbuch der Astronomie und Astrophysik - Astronomie.de

Neutrinoastronomie
der quasi vom „Urknall“ übriggeblieben ist und kosmologisch eine große Bedeutung bei der
Ausbildung primordaler Strukturen („Galaxienkeime“) hat. Das alles rechtfertigt die Anstrengungen,
kosmische Neutrinos experimentell durch „Neutrinoteleskope“ nachzuweisen und ihre Herkunft und
Energieverteilung zu bestimmen.
Der bereits erwähnte geringe Wirkungsquerschnitt macht es zwar schwierig, aber bei entsprechend
großen Detektormassen nicht unmöglich, Neutrinos beispielsweise über Einfangsreaktionen der Art
+ Cl → Ar + e
+ Ga + e
37 37 −
71 −
ν e
oder ν e
nachzuweisen. Die ersten Experimente zum Nachweis
37
der Sonnenneutrinos beruhten z.B. auf der Umwandlung von Chlor Cl
37
natürlichen Chlors ausmacht) in das radioaktive Argonisotop Ar .
107
(welches rund 24.2% des
Das man gerade diese Reaktion auswählte, hat in erster Linie experimentiertechnische Gründe. Chlor
ist sehr billig und kann in Form einer chemischen Verbindung (zumeist Chlorethylen C 2Cl 4 , früher
Perchlorethylen oder Tetrachlorkohlenstoff) in großer Menge und ausreichender Reinheit bereitgestellt
werden. Die durch Neutrinoeinfang entstehenden Argonatome werden aus dieser Flüssigkeit mittels
des Edelgases Helium ausgewaschen und schließlich mit radiochemischen Mitteln nachgewiesen. Die
Versuche auf der Basis dieser Reaktion laufen seit Mitte der Fünfziger Jahre des vorigen Jahrhunderts
und sind seitdem weitgehend perfektioniert worden. Um die Schwierigkeiten anzudeuten, mit denen
die Experimentatoren unter Leitung von RAYMOMD DAVIES JR (Nobelpreis 2002) und JOHN .N.
BAHCALL zu kämpfen hatten, sei nur erwähnt, daß lediglich 50 Argonatome in 400000 Litern
Chlorethylen während einer Experimentierzeit von 100 Tagen zu erwarten waren. Um die kosmische
Strahlung als wesentlichste Fehlerquelle abzuschirmen, baute man die gesamte Versuchsanordnung in
1478 Meter Tiefe in einem stillgelegten Bergwerk (Homestake-Goldmine in Lead, South Dakota,
USA) auf. Der eigentliche Detektor ist ein Flüssigkeitstank, der 400 m³ flüssiges Chlorethylen enthält
und ständig mit Helium durchlüftet wird. Dabei gelangen die wenigen Argonatome in das Heliumgas
und können daraus auf radiochemischen Weg (sie verraten sich durch ihren typischen Zerfall)
extrahiert und nachgewiesen werden. Um außerdem die schädliche Neutronenstrahlung des
umgebenden Gesteins auszuschalten, wird während der Messung der den Detektor enthaltene Stollen
mit Wasser geflutet.
Der schwierigste Teil des Experiments besteht in der Extraktion und Zählung der Argonatome. Dieses
Problem konnte jedoch soweit gelöst werden, daß man quasi jedes durch eine Neutrinoreaktion
entstandene 37-Argon –Atom registrieren kann.
Ein großer Nachteil der Reaktion
+ Cl → Ar + e
37 37 −
ν e
ist der äußerst geringe
Absorptionsquerschnitt für Neutrinos, deren Energie kleiner als 5 MeV ist. Unterhalb von E=0.814
MeV ist ein Neutrinoeinfang sogar völlig unmöglich. Demnach spricht der Chlor-Neutrinodetektor in
erster Linie auf die hochenergetischen Neutrinos (E>14 MeV) aus der Reaktion
8
8 +
B → Be + e + ν
e
an. Das hat zur Folge, daß man mit diesem Detektortyp fast ausschließlich Neutrinos aus einem sehr
selten ablaufenden Seitenast des pp-Zyklus detektiert. Günstiger ist es deshalb, an Stelle von Chlor das
Metall Gallium als Detektormaterial zu verwenden. Damit lassen sich Neutrinos schon ab einer