Kleines Lehrbuch der Astronomie und Astrophysik - Astronomie.de

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Teleskope, Detektoren, Meßgeräte
Zwar konnte bis heute der spontane Zerfall eines Protons nicht nachgewiesen werden, aber die große
Stunde von Kamiokande schlug am 23. Februar 1987, als eine Supernova in der Großen
Magellanschen Wolke explodierte. An diesem Tag konnten mit diesem Detektor allein 11 von
insgesamt rund 30 weltweit beobachteten Neutrinos nachgewiesen werden, die zweifelsfrei von diesem
Ereignis stammen. Es war die erste direkte Beobachtung eines Kernkollapses eines massiven Sterns,
der als Folge davon zu einem Neutronenstern wurde.
Rund 150 Meter vom alten Detektor entfernt wurde 1996 das Super-Kamiokande-Neutrinoteleskop in
Betrieb genommen. Das Prädikat „Super“ ist dabei völlig gerechtfertigt. Es besteht aus einem
Wassertank, der 50000 Tonnen Wasser enthält und an dessen Innenwänden 11146 Photomultiplier
angebracht sind. Der das Wasser enthaltene Zylinder besteht aus einem äußeren Detektor, der aus einer
2 m starken Wasserschicht besteht und 1885 Photomultiplier enthält. Damit kann man die von Außen
in die Meßanordnung einfliegenden Teilchen erkennen und gegebenenfalls eliminieren. Der innere Teil
stellt den eigentlichen Detektor dar und enthält 32500 Tonnen aufwendig gereinigtes Wasser, das hohe
Qualitätsansprüche in punkto Transparenz und Gehalt an radioaktiven Spurenstoffen (insbesondere
Radon) genügen muß. Auch an die verwendeten Sekundärelektronenvervielfacher werden große
Anforderungen gestellt. So erreichen sie für die Lichtpulse eine Zeitauflösung von ca. 2 ns, was einer
Lichtlauflänge von ungefähr 60 Zentimeter entspricht. Aus der Zeit des Eintreffens der Cerenkov-
Strahlung bei den einzelnen Photomultipliern und der Geometrie des ausgeleuchteten Detektorbereichs
läßt sich mit Hilfe von Computern die Bahn des eindringenden Neutrinos rekonstruieren.
Die Fragestellungen, die mit Super-Kamiokande bearbeitet werden, betreffen nur zu einem kleinen Teil
die Astronomie. Es geht der Kollaboration vielmehr um ein noch besseres Verständnis der Natur der
Neutrinos, insbesondere darum, ob sie eine Ruhemasse besitzen und unter welchen Bedingungen sie
periodisch ihr Flavor ändern (Neutrinooszillationen, s.u.). Super-Kamiokande konnte z.B.
eindrucksvoll beweisen, das Neutrinos wirklich „oszillieren“, was insbesondere auch den
Sonnenphysikern einen Stein vom Herzen nahm...
Der „Erfinder“ von Kamiokande, MASATOSHI KOSHIBA, erhielt übrigens 2002 für seine Forschungen
zusammen mit RAYMOND DAVIES JR. und RICCARDO GIACCONI den Nobelpreis für Physik.
N-200 Baikal
Diese Anordnung gehört zur ersten Generation von Neutrinoteleskopen, die das Problem der zu
geringen Detektorvolumina dadurch zu überwinden suchten, in dem man „natürliche“ Detektormedien
in Form von flüssigen oder gefrorenen Wasser verwendet, wie sie in Seen, Meeren oder im Eispanzer
Antarktikas vorhanden sind. Außerdem haben sie den Vorteil, daß diese Medien selbst einen sehr guten
Schutz vor Störstrahlung (z.B. die energieärmeren atmosphärischen Sekundär-Myonen) bieten. Man
braucht dazu die Meßeinrichtungen nur tief genug im Wasser oder im Eis zu versenken. Um zu zeigen,
daß derartige Anlagen wirklich funktionieren, wurde ab 1993 das Neutrinoteleskop NT-200 in über
1100 m Tiefe im Baikalsee (Sibirien) – dem tiefsten Süßwassersee der Erde – installiert. Das
Meßprinzip ist dem Meßprinzip im Kamiokande-Detektor analog nur daß es das Ziel ist,
Myonenneutrinos, die durch die Erde geflogen sind, nachzuweisen. Man nutzt dazu Reaktionen der
Form
ν µ
−
+ n → µ +
p