Niederenergie-Neutrinophysik

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 dem ersten experimentellen Nachweis des Neutrinos im Jahr 1956 versucht, seine sonderbaren Eigenschaften zu enträtseln. Heute weiß man, dass die Neutrinos analog zu den Quarks in 3 Generationen (engl. flavors) vorkommen. Im Gegensatz zu den Quarks können Neutrinos während ihrer Ausbreitung jedoch ihren Flavor ändern, ein Phänomen das unter dem Namen „Neutrino-Oszillationen“ bekannt ist. Während die wesentlichen Prinzipien dieser Oszillationen gut verstanden sind, versucht die aktuelle Forschung die der Oszillation zu Grunde liegenden Parameter genau zu vermessen. Überraschenderweise gibt es darüber hinaus experimentelle Hinweise, dass das Bild von drei Neutrinoflavors nicht vollständig ist und möglicherweise um ein weiteres sogenanntes 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 widerspiegeln.

Das Forschungsfeld unserer Arbeitsgruppe umfasst 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 das Gran-Sasso-Bergmassiv abgeschirmt von kosmischer Strahlung nimmt dort der 3,000 Tonnen schwere Neutrinodetektor seit 2007 Daten, betrieben von einer internationalen Kollaboration. Der wissenschaftliche Erfolg des Experiments beruht auf der niedrigen Energieschwelle im sub-MeV Bereich und der noch nie zuvor erreichten radioaktive Reinheit des Detektormaterials. Diese Kombination erlaubt Borexino, praktisch das gesamte solare Neutrinospektrum zu vermessen. Darüber hinaus wird Borexino in Zukunft im einem Oszillationsexperiment mit sehr kurzer Baseline (SOX) nach Übergängen von aktiven zu sterilen Neutrinos fahnden.

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