„Eine neue Ära der Neutrinophysik“ Weltgrößter Neutrinodetektor in China fertiggestellt

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Nach über zehn Jahren Bauzeit ist das unter Beteiligung der TU München entstandene Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) nun fertiggestellt. Kernelement ist der Neutrino-Detektor, der 20-mal größer ist als bisherige Einrichtungen seiner Art. Sein Zweck: mehr über Neutrinos, etwa ihre Massenordnung, herauszufinden.

Die Neutrinos geben den Teilchenphysikern große Rätsel auf. Ihre Eigenschaften erscheinen mysteriös und weisen auf bislang unverstandene Physik jenseits des etablierten Standardmodells der Teilchenphysik hin. Das nach zehn Jahren Bauzeit jetzt betriebsbereite Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in China soll nun mehr Gewissheit in diesem Bereich schaffen.

Technische Daten des Neutrinodetektors

Das JUNO verfügt zu diesem Zweck über einen Neutrino-Detektor, der etwa 20-mal größer ist als andere Vertreter seiner Art. Er besteht aus der mit 34,5 Metern Durchmesser größten jemals von Menschen hergestellten Kugel aus Acrylglas. Diese Kugel wurde jetzt mit 20.000 Tonnen einer hoch-reinen organischen Szintillationsflüssigkeit gefüllt. Wechselwirken elementare Teilchen wie zum Beispiel Neutrinos mit dieser Flüssigkeit, entstehen schwache blaue Lichtblitze, die von 43.000 Photosensoren registriert werden. Dies wird JUNO in die Lage versetzen, eine der gegenwärtig zentralen Fragen der Teilchenphysik zu untersuchen: die Ordnung der Neutrinomassen, und damit, ob der dritte Neutrino-Massenzustand schwerer ist als der zweite.

Zur Abschirmung von kosmischer Strahlung befindet sich JUNO 700 Meter unter der Erde in einem Pool, der mit 35.000 Tonnen hochreinem Wasser gefüllt ist. Dieser dämpft zusätzlich die natürliche Radioaktivität des umgebenden Gesteins. JUNO befindet sich in gleicher Distanz zu acht Kernreaktoren der Kraftwerke in Taishan und Yangjiang, was die Messung der Neutrino-Massenordnung erst ermöglicht. Dazu detektieren die Forscherinnen und Forscher das Licht, das die Reaktor-Neutrinos bei der Wechselwirkung im Szintillator erzeugen, mit bisher unerreichter Präzision. Pro Tag werden etwa 45 solcher Ereignisse erwartet. Auf diese Weise soll so mit der Zeit ein detailliertes Spektrum entstehen, das die Information über die Neutrino-Massenordnung als Feinstruktur enthält.

Der Sprecher der JUNO-Kollaboration, Prof. Yifang Wang von Chinesischen Akademie der Wissenschaften, betont: „Der Abschluss der Füllphase des JUNO-Detektors und der Beginn der Datennahme stellen einen historischen Meilenstein dar. Zum ersten Mal ist ein Detektor dieser Größenordnung und Präzision im Einsatz, der ausschließlich Neutrinos gewidmet ist. JUNO wird uns helfen, fundamentale Fragen über die Natur der Materie und des Universums zu beantworten.“

„Wir treten in eine neue Ära der Neutrinophysik ein und öffnen das Fenster zu neuen Entdeckungen. In den nächsten Jahren werden wir endlich wichtige Fragen der Neutrinophysik beantworten und Hinweise auf neue Physik erhalten können“, freut sich Dr. Hans Steiger, der die Beiträge der TUM zu JUNO leitet. „In zahlreichen Präzisionsexperimenten im Labor und an Teilchenbeschleunigern weltweit haben wir Präzisionsmessungen der grundlegenden Eigenschaften dieses ultrahochleistungsfähigen Szintillators durchgeführt. Die Ergebnisse ermöglichen nun die Interpretation der Messdaten aus dem JUNO-Detektor.“

Internationale Zusammenarbeit in der Grundlagenforschung

JUNO wird von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften betrieben und umfasst mehr als 700 Forscher aus 74 Institutionen in 17 Ländern und Regionen. In Deutschland beteiligen sich neben der TUM, die Universitäten Tübingen, Aachen, Mainz und Hamburg sowie die GSI Helmholtzzentrum Darmstadt daran.

JUNO ist für eine wissenschaftliche Lebensdauer von bis zu 30 Jahren ausgelegt. Perspektivisch bietet der Detektor zudem die Möglichkeit für ein Upgrade, um dann mit bislang unerreichter Sensitivität nach dem neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall suchen zu können. Derzeit wird an der TUM bereits die deutlich komplexere Chemie des zukünftigen Flüssigszintillators entwickelt. „In den kommenden Jahren wird diese Technologie voraussichtlich neue Wege bei der Suche nach diesen seltenen Zerfällen eröffnen und die weltweit beste Empfindlichkeit bieten“, betont Steiger.(sg)

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