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Astroteilchenphysik

Das Neutrinoexperiment BorexinoBlick in das Herz der Sonne

Neutrinos aus der SonneEin Leben auf der Erde ist ohne die Sonne nicht denkbar, sie spendet Licht und Wärme. Die Energie dafür entsteht im Sonnenkern, einem gigantischen Fusionsreaktor: Bei etwa 15 Millionen Grad verschmilzt hier Wasserstoff zu Helium, wobei gemäß Einsteins berühmter Formel E=mc2 in jeder Sekunde 4 Millionen Tonnen Materie in Energie umgewandelt werden.Bei diesem Prozess werden neben Energie auch sogenannte Neutrinos erzeugt. Das sind Teilchen, die nach heutigem Wissensstand „elementar“, das heißt unteilbar sind und bemerkenswerte Eigenschaften haben: Sie sind elektrisch neutral (Name), extrem leicht (mindestens einige 100.000 mal leichter als die bereits sehr leichten Elektronen) und treten mit normaler Materie nur äußerst schwach in Wechselwirkung. Das führt dazu, dass sie ein ungeheueres Durchdringungsvermögen haben. Selbst in Blei hätte ein Neutrinostrahl eine Reichweite von Lichtjahren!Gerade dieses Durchdringungsvermögen macht solare Neutrinos (wie auch Neutrinos von anderen astrophysikalischen Quellen) zu so interessanten Forschungsobjekten. Denn während Licht von dichter Materie verschluckt wird, durchdringen Neutrinos diese ungestört. Dadurch übermitteln sie uns Informationen aus dem Herz der Sonne, von dort wo die Energie erzeugt wird. Das Sonnenlicht, das wir sehen, muß dagegen erst langsam aus dem Sonnenkern zur Oberfläche „diffundieren“, ein Prozess, der hundertausende Jahre dauert. Dabei geht ein Großteil der Information aus dem Sonneninneren verloren.

Sonnenkern

Korona

Photosphär

e

Protuberan

zen

Stahlplatten zur Abschirmung

Wassercontainer aus rostfreiem Stahl,

Durchmesser: 18 m

Ballon aus Nylon, Durchmesser: 8,5 m

Kugel aus rostfreiem Stahl, Durchmesser:13,7 m

Dünne Nylonschicht (Barriere für Radon-Gas)

Tragseile

Nachweis von Myonen:200 Photovervielfacher(nach außen gerichtet)

2.200Photovervielfacher

(nach innen gerichtet)

300 TonnenFlüssig-

szintillator

Wasser-Ummantelung

Szintillator

Kohlenwasserstoff-SchichtKohlenwasserstoff-Schicht

(Pseudocumol)(Pseudocumol)

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Einige Daten zur Sonne

NeutrinonachweisDas ungeheure Durchdringungsvermögen von Neutrinos macht ihren Nachweis besonders schwer. Nur mit sehr großen Detektoren (hunderte von Tonnen Material) hat man die Möglichkeit ein paar ihrer seltenen Wechselwirkungen mit „normaler“ Materie zu entdecken. Zudem sind die bei solchen Wechselwirkungen erzeugten Signale meist winzig klein, so dass bereits die allgegenwärtige natürliche Umgebungsradioaktivität zu Störungen der Messung führt. Insbesondere die kosmische Strahlung, die aus dem Weltraum auf die Erde einfällt, stört den Nachweis von Neutrinos empfindlich. Deswegen müssen viele Neutrinoexperimente unteriridisch aufgebaut werden. Die Gesteinsschichte schirmt dann die kosmische Strahlung ab. Das BOREXINO-Experiment wurde deshalb in einem unteridrischen Labor unter dem Gran Sasso-Massiv in den italienischen Abruzzen aufgebaut.

Theoretisch vorhergesagtes Sonnenneutrinospektrum

Mittlere Entfernung:

150 Millionen km

Durchmesser: 1,4 Millionen km(110 Erddurchmesser)

Rotationsdauer: ~26 Tage

Masse: 2 1033 kg(333000 Erdmassen)

Zusammensetzung:

75 % Wasserstoff,23 % Helium, 2 % Rest

Temperatur: 5550 °C (Oberfläche)15 Millionen °C (Kern)

Druck im Kern: 220 Milliarden bar

Energieabstrahlung:

3,8 1023 kW

Alter: 4,57 Milliarden Jahre

Der Borexino-DetektorBorexino ist ein internationales Projekt unter italienischer Federführung. Beteiligt sind Forschungszentren aus sechs verschiedenen Ländern mit circa 100 Physikern, Ingenieuren und Technikern. Die Arbeiten des MPIK konzentrierten sich vor allem auf hochreine Materialien.

Gebirgsmassiv:Schirmt kosmische Strahlung ab.Enthält aber radioaktive Stoffe (Uran, Thorium).

Hochreines Wasser (< 1 µBq/kg): Schirmt Radioaktivität des Umgebungsgesteins ab.

Pseudocumol mit Zusatz zum Löschen vonFluoreszenz, dient hier zur Abschirmung.Darin:Dünne Nylonschicht als Barriere gegen radioaktives Edelgas Radon aus Umgebungsmaterialien.

Innerer Nylonballon (< 0,5 µBq/m2) trennt äußere Pseudocumolschicht vom eigentlichen Szintillator.

Szintillator-Flüssigkeit (Pseudocumol + Leuchtstoff), Reinheit: < 0,1 nBq/kg.

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