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Detektion von Geoneutrinos Was Neutrinos aus der Erde mit Vulkanen zu tun haben

| Autor / Redakteur: Tobias Schlößer* / Christian Lüttmann

Neutrinos sind extrem schwer nachweisbare „Geisterteilchen“. Sie prasseln mit kosmischer Strahlung aus dem All auf uns ein – aber auch die Erde strahlt ständig Neutrinos ab, ohne dass wir es merken. Nur mit gewaltigen Detektoren lassen sich die Teilchen nachweisen. Einige Dutzend solcher registrierten Neutrinos erlauben Forschern nun, Theorien über den Ursprung der Energie im Erdinneren zu überprüfen.

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Das Diagramm zeigt Geoneutrinos aus dem Erdinneren, die vom Borexino-Detektor gemessen wurden, was zu den endgültigen Energiespektren führt. Die x-Achse zeigt die Ladung (Anzahl der Photoelektronen) des Signals, als Maß für die in den Detektor eingebrachte Energie; die y-Achse zeigt die Anzahl der gemessenen Ereignisse.
Das Diagramm zeigt Geoneutrinos aus dem Erdinneren, die vom Borexino-Detektor gemessen wurden, was zu den endgültigen Energiespektren führt. Die x-Achse zeigt die Ladung (Anzahl der Photoelektronen) des Signals, als Maß für die in den Detektor eingebrachte Energie; die y-Achse zeigt die Anzahl der gemessenen Ereignisse.
(Bild: Borexino Collaboration)

Jülich – Unser Planet leuchtet, auch wenn es mit dem bloßen Auge nicht zu sehen ist. Grund dafür sind Geoneutrinos, die in radioaktiven Zerfallsprozessen im Innern der Erde entstehen. Jede Sekunde durchdringen etwa eine Million davon jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche. Das Borexino-Instrument im größten Untergrundlabor der Welt – dem Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italien, 1400 Meter tief unter der Erdoberfläche – ist einer der wenigen Detektoren weltweit, die in der Lage sind, die spukhaften Teilchen zu erfassen.

Spuren der Radioaktivität

Bereits seit 2007, also seit über zehn Jahren, sammeln Forscher mit Borexino Daten über Neutrinos. Bis 2019 konnten sie 53 Ereignisse messen – das sind doppelt so viele Ereignisse wie zum Zeitpunkt der letzten Auswertung im Jahr 2015. Zudem ließ sich die Unsicherheit der Messungen von 27 auf 18 Prozent reduzieren, was auch auf neue Analysemethoden zurückzuführen ist.

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„Geoneutrinos sind die einzigen direkten Spuren der radioaktiven Zerfälle, die irgendwo im Inneren der Erde stattfinden und die einen noch unbekannten Teil der Energie erzeugen, die die gesamte Dynamik unseres Planeten antreibt“, sagt Livia Ludhova, eine der beiden wissenschaftlichen Koordinatoren von Borexino und Leiterin der Neutrino-Gruppe des Instituts für Kernphysik am Forschungszentrum Jülich.

Den Forschern ist es nun gelungen, das Signal von Geoneutrinos aus dem Erdmantel zu bestimmen – und zwar über den bekannten Beitrag der so genannten Lithosphäre, also des oberen Erdmantels und der Erdkruste. „Die Hypothese, dass in der Tiefe keine Radioaktivität mehr vorhanden ist, kann jetzt mit 99-prozentiger Sicherheit ausgeschlossen werden. Das ermöglicht es nun zum ersten Mal, einen Mindestgrenzwert für die Uran- und Thorium-Häufigkeiten im Erdmantel festzulegen“, sagt Ludhova.

Triebkraft von Vulkanen und Erdbeben

Die Ergebnisse der Forscher sind für unterschiedliche Erdmodell-Rechnungen interessant. So lässt sich daraus ableiten, dass radioaktive Zerfallsprozesse im Inneren der Erde mit 85-prozentiger Wahrscheinlichkeit mehr als die Hälfte der inneren Wärme der Erde erzeugen. Die andere Hälfte stammt zum Großteil noch aus der ursprünglichen Formation unseres Planeten. Radioaktive Prozesse in der Erde stellen demnach einen nicht zu vernachlässigenden Teil der Energie bereit, die Vulkane, Erdbeben und das Erdmagnetfeld antreibt.

Die Studie stellt über die neuen Resultate hinaus eine umfassende physikalische und geologische Analyse vor, die für die nächste Generation von Flüssig-Szintillator-Detektoren zur Messung von Geoneutrinos hilfreich sein könnte. Die nächste Herausforderung für die Forschung mit Geoneutrinos besteht nun darin, Geoneutrinos aus dem Erdmantel mit größerer Präzision zu messen: vielleicht mit Detektoren, die an verschiedenen Positionen auf unserem Planeten verteilt sind. Ein solcher Detektor wird der Juno-Detektor in China sein, an dem die Jülicher Neutrino-Gruppe ebenfalls beteiligt ist. Der Detektor wird um einen Faktor 70 größer sein als Borexino, was dazu beiträgt, dass schon in einer kurzen Zeitspanne eine höhere statistische Signifikanz erreicht werden kann.

Originalpublikation: M. Agostini et al. (Borexino Collaboration): Comprehensive geoneutrino analysis with Borexino, Phys. Rev. D 101, 012009 – Published 21 January 2020; DOI: 10.1103/PhysRevD.101.012009

* Tobias Schlößer, Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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