Präzisionsmessung von Neutrinooszillationen

Startschuss für das Neutrinoexperiment JUNO

Nahe der südchinesischen Stadt Jiangmen hat der Bau für das Neutrinoexperiment JUNO mit einer offiziellen Zeremonie zum ersten Spatenstich begonnen. Am Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) sind mehr als 50 Institute aus China, den USA und Europa beteiligt, davon 6 allein aus Deutschland. Ab dem Jahr 2020 wird JUNO dann neue Erkenntnisse zu den Teilcheneigenschaften des Neutrinos liefern.

Schematische Darstellung des JUNO-Detektors mit der abgeschirmten Plexiglassphäre: Der Detektor ist von einem mit Wasser gefüllten „Swimmingpool“ umgeben, der externe radioaktive Strahlung abschirmt (Bild links). (Bild: Michael Wurm)

„JUNO soll die Oszillationen der Neutrinos präzise vermessen und damit eine der aktuellsten Fragen in der Neutrinophysik untersuchen: die Anordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen“, erklärt Prof. Dr. Michael Wurm, Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Er ist als einer der deutschen Partner an JUNO beteiligt und hat den Startschuss für den Bau des Untergrundlabors am 10. Januar vor Ort mitverfolgt.

Offizielle Spatenstich-Feier zum Bau von JUNO am 10. Januar 2015 in der Nähe von Jiangmen. (Foto: INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)

Neutrinos sind fast masselose Elementarteilchen, die unter anderem bei Fusionsprozessen in der Sonne oder radioaktiven Zerfällen in Kernreaktoren entstehen. Sie sind elektrisch neutral und unterliegen nur der schwachen Kernkraft. Daher durchdringen sie nahezu ungehindert Materie und sind nur unter großem Aufwand in meist unterirdischen Detektoren nachzuweisen. Neutrinos kommen in drei unterschiedlichen Arten vor: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Sie können sich ineinander umwandeln, ein Phänomen, das als Neutrinooszillation bezeichnet wird. Aus dem beobachteten Oszillationsmuster lassen sich auch Rückschlüsse auf die Masse der Teilchen ziehen.

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„Das Auftreten von Oszillationen setzt voraus, dass Neutrinos mit drei unterschiedlichen Massen vorkommen. Aber welches der drei ist das leichteste, welches das schwerste? Das JUNO-Experiment wird sensitiv genug sein, um die Massen den drei Neutrinoarten nun auch eindeutig zuordnen zu können“, so Wurm. Der Teilchenphysiker, der auch an dem Borexino-Experiment zur Erforschung von solaren Neutrinos im italienischen Gran-Sasso-Gebirge beteiligt ist, sieht darin einen wichtigen Schritt, um langfristig Informationen über die Verletzung der Materie-Antimaterie-Symmetrie im Neutrinosektor gewinnen zu können. Die Wissenschaft erwartet davon Antworten auf die Frage, weshalb sich Materie und Antimaterie nach dem Urknall nicht vollständig gegenseitig vernichtet haben.

Zufahrt zu dem geplanten unterirdischen Neutrino-Observatorium. (Foto: INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)

Die Anordnung der Neutrinomassen macht sich durch nur winzige Veränderungen im Oszillationsmuster bemerkbar, die in heutigen Experimenten nicht beobachtet werden können. Der JUNO-Detektor wird deshalb in einem eigens geschaffenen Untergrundlabor aufgebaut, das in etwa 50 km Abstand zu zwei Reaktorkomplexen an der südchinesischen Küste liegt. Die von den Reaktoren ausgesandten Neutrinos werden anhand kleiner Lichtblitze im Szintillatortarget des Detektors nachgewiesen. 20000 Tonnen einer Mineralöl-ähnlichen Flüssigkeit befinden sich gut abgeschirmt von äußerer Strahlung in einer 35 m durchmessenden Plexiglassphäre im Zentrum des Detektors, dessen Oberfläche dicht mit Lichtsensoren bestückt ist. JUNO ist damit fast 100 Mal größer als der Borexino-Detektor. Es wird erwartet, dass fünf Jahre Messzeit erforderlich sind, um der Massenhierarchie auf die Spur zu kommen.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Michael Wurm
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
E-Mail michael.wurm@uni-mainz.de
http://www.etap.physik.uni-mainz.de/

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