Messtechnik extrem Forscher setzen beim Neutrinodetektor auf modulare Messkarten

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In China ist ein ehrgeiziges Projekt der modernen Physik entstanden: Ein Neutrinodetektor von 34,5 Metern Durchmesser, gefüllt mit 20.000 Tonnen Szintillatorflüssigkeit, soll die schwer fassbaren Neutrinos einfangen. Deutsche Forschungsbeiträge spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Neutrinos sind schwer nachzuweisen. Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) ist ein beeindruckendes Großprojekt in der Neutrino-Forschung und will die Geheimnisse der schwer fassbaren Elementarteilchen weiter ergründen. Das Problem bei die Neutrinos ist, sie interagieren nur äußerst selten mit Materie. Sie durchdringen nahezu jede Materie. Ein Nachweis ist enorm schwierig. Weshalb sie auch als Geisterteilchen bezeichnet werden. Damit Forscher trotzdem die Chance bekommen, sie nachzuweisen, sind extrem empfindliche und spezialisierte Detektoren notwendig.

JUNO befindet sich 750 m unter der Erdoberfläche in Jiangmen in China. In dieser Tiefe ist es vor kosmischer Strahlung geschützt, welche die Messergebnisse stören würden. Der Detektor selbst ist ein technisches Meisterwerk und stellt einen der größten und empfindlichsten Neutrinodetektoren der Welt dar.

Detektor mit 34,5 Meter Durchmesser und gefüllt mit einer Flüssigkeit

Das Herzstück des Detektors ist eine gigantische, hochtransparente Acrylkugel mit einem Innendurchmesser von 34,5 Metern, die mit 20.000 Tonnen einer speziell entwickelten, Öl-ähnlichen Flüssigkeit gefüllt ist. Diese Szintillator-Flüssigkeit erzeugt Photonen, also Lichtblitze, wenn ein Neutrino mit ihm interagiert. Die riesige Kugel ist in einem speziell geformten Becken von 35.000 Tonnen Wasser umgeben. Die Lichtblitze werden von rund 45.000 Photo-Multiplier-Röhren (PMTs) erfasst, welche um die Kugel herum angeordnet sind.

Die Teams der Technischen Universität München (TUM) und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz verwenden Digitizerkarten des Modells M4i.2212 von Spectrum Instrumentation bei der Entwicklung und Charakterisierung der Szintillator-Flüssigkeit. Dafür sind hochpräzise Experimente im Labormaßstab mit einer sehr fortschrittlichen Datenerfassung erforderlich. Wenn der JUNO-Detektor Ende 2024 seine Arbeit aufnimmt, wird er der größte Neutrino-Flüssig-Detektor der Menschheit sein. Diese riesige und komplexe Versuchsanordnung wird das Wissen über die schwer fassbaren Neutrinos, deren Eigenschaften und Wechselwirkungen drastisch erweitern.

Vor radioaktiver Umgebungsstrahlung abschirmen

Die zentrale Acrylkugel enthält die 20.000 Tonnen Flüssig-Szintillator, umgeben von 35.000 Tonnen Wasser. Beide Flüssigkeiten müssen eine ultrahohe Reinheit aufweisen, da die kleinste Verunreinigung radioaktives Material enthalten könnte. Während des Baus der Anlage müssen alle Arbeiter zwei Paar Handschuhe tragen, da selbst der Schweiß eines Fingerabdrucks den Detektor verunreinigen und ruinieren könnte. Die Platzierung der Anlage 750 Meter unter der Erde in einer speziell konstruierten Halle dient dazu, den Detektor von radioaktiver Umgebungsstrahlung abzuschirmen.

Wenn ein Neutrino mit dem flüssigen Szintillator (LS) interagiert, wird die Energie dieser Wechselwirkung an die Moleküle der Flüssigkeit abgegeben. Die Szintillator-Flüssigkeit hat dabei eine enorme Lichtleistung (typischerweise > 10.000 Photonen/MeV) und gewährleistet so eine präzise Bestimmung der abgegebenen Energie. Um auch die Richtung des einfallenden Neutrinos bestimmen zu können, wird das schwache, aber gerichtete Tscherenkow-Licht von der ersten Passage des Neutrinos durch das Wasser aufgefangen. Auf diese Weise steht den Physikern zum ersten Mal auch die Richtungsinformation des Neutrinos zur Verfügung.

Modulare Messkarten bieten größere Planungssicherheit

Ziel der aktuellen Entwicklung von Flüssig-Szintillatoren in München und Mainz ist es, das frühe, aber schwache Tscherenkow-Licht vom dominanten Szintillations-Licht zu trennen, um eine simultane Energie- und Richtungsrekonstruktion zu ermöglichen. Dafür hat das Team um Dr. Hans Steiger mehrere hochpräzise Experimente mit verbesserter Lichterfassung und Zeitauflösung konstruiert.

„Wir haben uns für die Digitizerkarten von Spectrum entschieden, weil sie eine ausgezeichnete Leistung bieten, aber im Gegensatz zu Konkurrenzprodukten weder teuer noch Sonderanfertigungen sind“, sagte Dr. Steiger, der das Projekt leitet. „Der modulare Ansatz von Spectrum bedeutet, dass wir genau angeben konnten, was die Karten leisten sollen, so dass wir keine Kompromisse eingehen oder Geld für unerwünschte Funktionen verschwenden mussten. Mir gefällt die Tatsache, dass es sich um ein Standard-PCIe-Produkt handelt, denn so konnten wir das System auf einem Standard-PC realisieren und können es auch jederzeit erweitern, wenn wir mehr Fördermittel erhalten. Als Universität, die an großen, langfristigen internationalen Projekten teilnimmt, brauchen wir zuverlässige Instrumente, und die fünfjährige Garantie von Spectrum gibt uns die nötige Sicherheit.“

Die verschiedenen Neutrino-Quellen nachweisen

Neben der Arbeit am Flüssig-Szintillator steuert das deutsche Team auch ein Kalibrierungsprojekt für JUNO bei. Dabei wird das Detektormaterial mit radioaktiver Gamma- und Neutronenquellen charakterisiert, bei denen Energie und Einfallsrichtung vorbestimmt sind. „Unsere Charakterisierung der Flüssig-Szintillatoren ist nur dank der ultraschnellen Digitizerkarten realisierbar. So können wir in Bereichen von Pikosekunden messen. Außerdem ist der Dynamikbereich von 5 V viel besser als bei Konkurrenten, die normalerweise 1 V haben. Das bedeutet, dass sie die 3-V-Impulse unserer PMTs problemlos bewältigen können“, betont Meishu Lu, ein Doktorand der Gruppe an der TU München.

Das Diagramm zeigt den ersten Impuls des Tscherenkow-Signals, gefolgt vom Szintillations-Signal, das die Energieinformation liefert. Dies geschieht in weniger als zwei Nanosekunden. Durch die Kombination dieser Informationen kann die Art des Teilchens und seine Herkunft bestimmt werden. Es kann aus einem der acht Atomreaktoren an der Oberfläche, aus der Sonne, aus dem Inneren der Erde oder aus dem Weltraum stammen. „Wir konnten bisher in Szintillations-Detektoren nie genau wissen, woher ein Neutrino kam, daher eröffnet dies ganz neue Forschungsbereiche“, erklärte Dr. Hans Steiger.

„Wenn beispielsweise im Weltall ein sterbender Stern oder eine sogenannte Supernova große Mengen Neutrinos aussendet, können wir jetzt nicht nur die Neutrinos nachweisen, sondern auch mit hoher Präzision den Punkt am Himmel ermitteln, an dem diese Explosion stattgefunden hat. Tatsächlich haben wir mit JUNO jetzt auch ein Teleskop, mit dem wir diese verschiedenen Neutrinoquellen untersuchen können, um deren Prozesse besser zu verstehen. Indem wir das Licht über das gesamte Spektrum untersuchen, zusätzlich Gravitationswellen erkennen können und jetzt auch Neutrinos mit hoher Statistik, Energieauflösung und Richtung detektieren, beginnt eine neue Ära der Multi-Messenger-Astronomie.“ (heh)

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