Erstmals Sonnenteilchen mit äusserst niedriger Energie gemessen

Dutzende Milliarden Neutrinos, die durch Kernfusion in der Sonne entstehen, durchdringen pro Sekunde jeden Quadratzentimeter der Erde – und unsere Körper. Obwohl Neutrinos zu den am häufigsten von der Sonne emittierten Teilchen gehören, ist ihr Nachweis eine der grössten experimentellen Herausforderungen in der Teilchenphysik. Der Grund liegt in ihren äusserst schwachen Wechselwirkungen. Da Neutrinos einen einzigartigen Zugang zu astrophysikalischen Fragestellungen bieten, werden weltweit einige spezielle Detektoren für Neutrinos betrieben.

Wissenschaftler:innen der XENON-Kollaboration haben nun erstmals niederenergetische solare Neutrinos beobachtet, die im Teilchendetektor «XENONnT» an Elektronen streuen. Die Messung erweitert die Grenze direkter Neutrino-Beobachtungen bis hinunter zu Neutrino-Energien von etwa 17 Kiloelektronenvolt (keV). Dies ist die niedrigste, jemals erreichte Neutrino-Energieschwelle. Sie gibt das Limit dessen an, was ein Detektor nachweisen kann.

Das nun gemessene Signal wurde von sogenannten pp-Neutrinos dominiert, die bei den Proton-Proton-Fusionsreaktionen entstehen. Diese Reaktionen erzeugen die Sonnenenergie und machen den grössten Teil der solaren Neutrinoemission aus. Der Detektor steht im Gran-Sasso-Labor des Nationalen Instituts für Kernphysik in Italien in 1'400 Metern Tiefe. Sein Herzstück ist eine zweiphasige Xenon-Zeitprojektionskammer – ein Detektor mit 5,9 Tonnen hochreinem flüssigem Xenon zur Messung von Teilchenspuren. An dem Experiment sind rund 30 internationale Forschungseinrichtungen beteiligt, darunter auch die Universität Zürich (UZH).

Ursprünglich wurde der Detektor XENONnT zur Suche nach den hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie konzipiert. Nach der Beobachtung von kohärenter elastischer Neutrino-Kern-Streuung an hochenergetischen Sonnenneutrinos zeigt die neue Messung, dass derselbe Detektor komplementäre Aspekte der Neutrino-Physik untersuchen kann. «Das Ergebnis zeigt, dass diese Technologien auch empfindlich auf äusserst niederenergetische Neutrinos reagieren, die in der Sonne erzeugt werden», sagt Laura Baudis, Professorin für Experimentelle Physik an der UZH. 

«Dieselben Detektoreigenschaften, die den Detektor für die Suche nach Dunkler Materie leistungsfähig machen – insbesondere die niedrige Energieschwelle und die detaillierte Kontrolle aller Untergrundbeiträge – erlauben es uns, solare Neutrinophysik in einem neuen Energiebereich zu untersuchen», sagt Florian Jörg, Postdoktorand in der Gruppe von Laura Baudis, der massgeblich an der neuen Analyse beteiligt war. Damit entwickelt sich XENONnT zu einem der weltweit empfindlichsten Observatorien für seltene Wechselwirkungen von Teilchen bei niedrigen Energien.

Zur Original-Medienmitteilung auf der Xenon-Seite.