Niederenergie-Neutrinos

Neutrinos sind die am schwersten zu fassenden Elementarteilchen des Standardmodells. Da sie eine sehr kleine Ruhemasse und weder elektrische noch starke Ladung besitzen, breiten sich Neutrinos nahezu ungestört in Materie aus. Äußerst selten wechselwirken sie schwach mit Elektronen oder Atomkernen, deren Rückstöße in darauf spezialisierten Detektoren beobachtet werden können. Diese Experimente umfassen riesige Massen und befinden sich außerdem in Untergrundlaboren, um den sonst dominierenden Untergrund durch natürliche Radioaktivität und kosmische Strahlung zu reduzieren.

Zahlreiche Experimente haben seit seinem experimentellen Nachweis 1956 versucht, die sonderbaren Eigenschaften des Neutrinos zu enträtseln. Heute weiß man, dass die Neutrinos analog zu den Quarks in 3 Generationen (engl. flavors) vorkommen. Im Gegensatz zu diesen können Neutrinos während ihrer Ausbreitung ihren flavor ändern, ein Phänomen das unter dem Namen „Neutrino-Oszillationen“ bekannt ist. Während die wesentlichen Prinzipien dieser Oszillationen gut verstanden sind, versuchen zahlreiche Experimente bis heute die grundlegenden Parameter dieses Prozesses zu bestimmen. Überraschenderweise gibt es darüber hinaus experimentelle Hinweise, dass das 3-Flavor-Bild um ein weiteres, nicht aktives, (sog. steriles) Neutrino ergänzt werden muss.

Aufgrund ihrer Flüchtigkeit sind Neutrinos ideal geeignet, um das sonst verborgene Innere von astrophysikalischen Objekten zu untersuchen. Unter anderem ist die Sonne eine starke Quelle von niederenergetischen Neutrinos, die im Rahmen der solaren Energieerzeugung durch Kernfusionsreaktionen entstehen. Die Messung des Neutrinoflusses auf der Erde erlaubt daher eine direkte Beobachtung der Verhältnisse im Sonneninneren, die sich in der Rate und Energiespektrum reflektieren.

Die Arbeitsgebiete unserer Arbeitsgruppe umfassen sowohl Neutrino-Oszillationen als auch die astrophysikalische Beobachtung von Neutrinos. Derzeit sind wir an der Datenanalyse und Entwicklung von Hardware für das Borexino-Experiment im Gran Sasso Untergrundlabor (LNGS) beteiligt. Durch die Abruzzen [oder: das GS-Massiv] abgeschirmt von kosmischer Strahlung entstand dort im Rahmen einer internationalen Kollaboration dieser Neutrino-Detektor. Seine niedrige Energieschwelle und beispiellose niedrige, interne radioaktive Verunreinigung sind Kernpunkte seines Erfolges. Borexino bietet die Möglichkeit, das gesamte solare Neutrinospektrum zu vermessen. Des Weiteren wird Borexino im Rahmen eines Oszillationsexperiments mir kurzer Baseline (SOX) zur Suche nach Übergängen von aktiven zu sterilen Neutrinos verwendet werden und somit nach weiteren Anzeichen für Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik.

Unsere Arbeitsgruppe ist ebenfalls involviert in Forschung, Entwicklung und Design des zukünftigen Großexperiments JUNO zur Bestimmung der Massenhierarchie der Neutrinos. Neben der Präzisionsmessung von Oszillationsparametern wird JUNO, das in der Nähe der südchinesischen Stadt Jiangmen entsteht, auch als zukünftiges Observatorium von Neutrinos aus astrophysikalischen Objekten dienen.

Abbildung 2: Das Gran Sasso Massiv in den Abruzzen
Abbildung 1: Blick ins Innere des Borexino-Detektors