Wie ein unterirdischer Wassertank die Geheimnisse des Universums bergen kann
Neutrinos(öffnet in neuem Fenster) sind Elementarteilchen, die für die meisten Vorgänge im Universum von grundlegender Bedeutung sind. Sie entstehen in großen Mengen bei den wichtigsten Reaktionen im Universum, beispielsweise in der Supernova-Phase eines sterbenden Sterns. Da eine Wechselwirkung mit Materie extrem unwahrscheinlich ist, ändern sich ihre dynamischen Eigenschaften im Laufe der Zeit nicht. Dementsprechend bieten sie Einblicke in die wichtigsten Reaktionen des Universums. „Die Neutrinos, die von allen Supernovae im Laufe der Geschichte des Universums freigesetzt werden – der sogenannte „Diffuse Supernova Neutrino Background“(öffnet in neuem Fenster) (DSNB) – enthalten unschätzbare Informationen über Phänomene wie die Entwicklung der Raumzeit im Universum, die Sternentstehung, Schwarze Löcher und andere“, erklärt Luis Labarga Echeverría, Koordinator des Projekts SK2HK, das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) gefördert wird.
Beitrag zu bahnbrechenden Experimenten mit Neutrino-Wechselwirkungen
Da Neutrino-Wechselwirkungen in Detektoren extrem unwahrscheinlich sind, muss das Volumen des für die Wechselwirkung angebotenen Materials enorm sein. Aufgrund des damit verbundenen Aufwands wurden intelligente Lösungen entwickelt, wobei sich die sogenannte Wasser-Tscherenkow-Methode als die erfolgreichste erwiesen hat. Diese Technik wird im japanischen Kamioka-Observatorium(öffnet in neuem Fenster) eingesetzt, und zwar mit dem weltweit größten unterirdischen Neutrinodetektor, dem Super-Kamiokande(öffnet in neuem Fenster) (Super-K) – einem großen Tank (50.000 m³ Volumen), der mit ultrareinem Wasser gefüllt ist. Wenn ein Neutrino mit Wasser in Wechselwirkung tritt, entstehen mehrere Teilchen, von denen eine beträchtliche Anzahl elektrisch geladen ist. Rund 10.000 hochempfindliche Lichtsensoren (Photomultiplier-Röhren oder PMTs) in den Wänden des Super-K-Tanks erfassen das von diesen geladenen Teilchen im Wasser emittierte Licht. „Durch die Rekonstruktion der Eigenschaften des Teilchens, wie etwa seines Ursprungsortes, seiner Energie, seiner Richtung und etwaiger Zerfallsprozesse, können wir auf die Eigenschaften der ursprünglichen Neutrinos schließen“, erklärt Echeverría von der Autonomen Universität Madrid(öffnet in neuem Fenster). Diese Methodik führte zu zwei bedeutenden Errungenschaften: der Identifizierung von Neutrinos, die von der Supernova SN1987 stammen (was 2002 zu einem Nobelpreis für Physik führte) sowie der Entdeckung, dass Neutrinos tatsächlich Masse besitzen (wofür 2015 ein weiterer Nobelpreis für Physik verliehen wurde). Das Forschungsteam von SK2HK wurden dem Super-K zugeteilt und beteiligten sich an weiteren damit zusammenhängenden Experimenten. Dies trug letztendlich dazu bei, dass Super-K klare Hinweise auf den DSNB beobachtete, welche auf der Konferenz NEUTRINO 2026 der University of California, Irvine, im Juni 2026(öffnet in neuem Fenster) vorgestellt wurden. „Damit beginnt eine neue Ära in der Physik, in der wir die Entwicklung des Universums anhand der Neutrinos untersuchen können, die von den Supernovae seit Anbeginn der Zeit emittiert werden“, sagt Echeverría.
Der Weg zum Neutrinoexperiment der nächsten Generation
Um Neutrinos besser zu verstehen, werden größere Detektoren benötigt, wie beispielsweise der Hyper-Kamiokande, der derzeit am Kamioka-Observatorium gebaut wird und an dem das SK2HK-Team mitgearbeitet hat. „Die mit einem Volumen von 260.000 Tonnen und 20.000 Lichtsensoren wesentlich effizientere Anlage soll 2028 in Betrieb genommen werden“, bemerkt Echeverría. Zudem beteiligte sich das Team an der Forschung und Entwicklung neuer Detektionstechniken, wie beispielsweise der Verwendung mehrerer PMTs anstelle eines einzelnen PMT mit 60 cm Durchmesser. Dabei wurden 19 kleine PMTs in einem Gehäuse mit 60 cm Durchmesser kombiniert. SK2HK übernahm auch die Konstruktion und den Bau des Unterwassergehäuses, das die PMT-Sensoren aufnimmt, um dem Unterwasserdruck standzuhalten und eine Kettenreaktion von Fehlfunktionen zu vermeiden, für den Fall, dass ein Fotosensor implodiert. „Die Forschungsgemeinschaft denkt bereits über noch größere Detektoren nach, die tiefer unter der Erde mit viel mehr Fotosensoren arbeiten und uns noch präzisere Informationen über die Variablen liefern. Diese können möglicherweise erklären, wie sich Neutrinos im Laufe der Zeit entwickeln, und vielleicht sogar das größte Rätsel von allen beantworten: ob die große vereinheitlichte Theorie richtig ist“, schließt Echeverría.
