Gigantischer japanischer Detektor bereitet sich darauf vor, Neutrinos aus Supernovae aufzufangen

Elftausend riesige orangefarbene Augen blicken die wenigen Glücklichen an, die das unterirdische Neutrino-Observatorium Super-Kamiokande in Japan betreten haben – den bei weitem größten Neutrinodetektor seiner Art in der Welt. Die Chance, diese Lichtsensoren zu sehen, ist selten, da sie normalerweise in 50.000 Tonnen gereinigtem Wasser untergetaucht sind. Doch eine umfassende Modernisierung von Super-K, die im Januar abgeschlossen wurde, bot die seltene Gelegenheit, einen Blick in diese große Kathedrale der Wissenschaft zu werfen.

Zwischen Juni und Januar wurde zum ersten Mal seit mehr als einem Jahrzehnt das Wasser aus dem Detektor abgelassen, als Teil einer 1,1 Milliarden Yen (10 Millionen US-Dollar) teuren Renovierung. Die Aufrüstung wird Super-K unter anderem in die Lage versetzen, nach Neutrinos zu suchen, die von weit entfernten Supernovae ausgesandt werden, also von Explosionen, die stattfinden, wenn ein alternder Stern unter seinem eigenen Gewicht zusammenbricht. Die Astronomen benötigen diese Daten, um die Geschichte der Supernovae im Universum besser zu verstehen – aber die Neutrinos, die sie aussenden, waren bisher nur schwer nachzuweisen.

„Alle 2-3 Sekunden explodiert irgendwo im Universum eine Supernova, und dabei werden 1058 Neutrinos erzeugt“, sagt Masayuki Nakahata, Leiter von Super-K, einer internationalen Kollaboration unter der Leitung von Japan und den Vereinigten Staaten. Mit dem Upgrade sollte der Detektor in der Lage sein, jeden Monat einige dieser „Relikt“-Neutrinos zu zählen, sagt Nakahata, der Physiker an der Universität Tokio ist.

Super-K befindet sich 1.000 Meter unter einem Berg in der Nähe von Hida in Zentraljapan. Im Inneren fangen Wassermoleküle Neutrinos auf, die von der Sonne und der Atmosphäre durch den Boden strömen oder von einem Hunderte von Kilometern entfernten Teilchenbeschleuniger eingestrahlt werden. Im Laufe dieses Jahres wird das Observatorium dem Wasser das Seltenerdmetall Gadolinium zusetzen. Dadurch wird der Detektor viel besser in der Lage sein, zwischen verschiedenen Arten oder „Geschmacksrichtungen“ von Neutrinos sowie ihren Antiteilchen, den Antineutrinos, zu unterscheiden.

Im Jahr 1987 entdeckte der Kamiokande-Detektor, der kleinere Vorgänger von Super-K, die ersten Neutrinos aus einer Supernova. Das Dutzend Neutrinos stammte von der Supernova 1987A, die sich in der Großen Magellanschen Wolke ereignete, einer kleinen Galaxie, die die Milchstraße umkreist. Der Leiter des Experiments, Masatoshi Koshiba, erhielt 2002 den Nobelpreis für Physik unter anderem für diese Entdeckung. Seitdem wurden jedoch keine Neutrinos mehr mit einer Supernova in Verbindung gebracht.

Die meisten solaren Neutrinos zeigen sich, indem sie mit hoher Geschwindigkeit ein Elektron aus einem Wassermolekül herausschlagen und dadurch einen schwachen Lichtblitz erzeugen (das ist das, was die „Augen“ von Super-K sehen). Andere Neutrinos jedoch – und insbesondere die Antineutrinos, die den Großteil der Supernova-Emissionen ausmachen – stoßen nicht mit einem Elektron, sondern mit einem Proton in einem Atomkern zusammen. Bei dieser Kollision werden ein Neutron und ein Positron, die Antimaterieversion des Elektrons, freigesetzt. Das Signal des Positrons ist für den Detektor nur schwer von dem eines Elektrons aus einem solaren Neutrino zu unterscheiden. Aber das Neutron erzeugt seine eigene Signatur – einen γ-Strahl – wenn es von einem anderen Kern eingefangen wird.

Neue Kraft

Gadoliniumkerne sind viel effektiver als die Wasserstoff- oder Sauerstoffkerne des Wassers, wenn es darum geht, solche streunenden Neutronen einzufangen, und die von ihnen erzeugten γ-Strahlen sind für Super-K leichter zu erkennen, als ein weiterer Lichtblitz. Wenn also ein Antineutrino auftrifft, sieht Super-K nicht nur einen, sondern zwei Lichtblitze im Abstand von einigen Mikrosekunden.

John Beacom, ein theoretischer Astrophysiker an der Ohio State University in Columbus, und Mark Vagins, ein Super-K-Experimentator, der jetzt am Kavli-Institut für Physik und Mathematik des Universums in Kashiwa, Japan, tätig ist, kamen Anfang der 2000er Jahre auf die Idee, Gadolinium zu Super-K hinzuzufügen1. Gadolinium war bereits in kleineren Neutrinoexperimenten verwendet worden, aber noch nie in einem Wasserdetektor.

„Als wir anfingen, gab uns jeder, mit dem wir sprachen, eine Liste mit zehn Gründen, warum es unmöglich sein würde“, sagt Beacom. Die größte Herausforderung, so Vagins, war die Frage, ob das Wasser des Detektors kontinuierlich gefiltert werden könnte, um Verunreinigungen zu entfernen, ohne gleichzeitig das Gadolinium zu entfernen. Er leitete eine jahrzehntelange Anstrengung, um zu demonstrieren, dass die Idee funktionieren könnte. Dazu gehörte der Bau eines 6 Millionen US-Dollar teuren Neutrinodetektors, der humorvoll „Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems“ (EGADS) genannt wurde. Ein entscheidender Teil dieser Bemühungen erforderte die Erfindung eines neuartigen Wassersystems.

Bis 2015 hatten Beacom und Vagins die Kollaboration davon überzeugt, Gadolinium in das nächste Upgrade aufzunehmen. Dieser Teil der Aufrüstung ist inoffiziell unter dem Namen Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super! (GADZOOKS!), inklusive Ausrufezeichen. (Wie „Egads“ wird „Gadzooks“ in Superhelden-Comics oft verwendet, um eine Überraschung auszudrücken.)

Super-K war bereits ein großer Erfolg. 1998, zwei Jahre nach der Inbetriebnahme, lieferte der Detektor den ersten handfesten Beweis dafür, dass Neutrinos und Antineutrinos zwischen drei Geschmacksrichtungen „oszillieren“ oder zirkulieren können. Die Entdeckung zwang die Theoretiker, das Standardmodell der Teilchenphysik – die Erklärung der Teilchen und Kräfte des Universums – zu ändern, und warf eine Reihe neuer Fragen auf. (Takaaki Kajita, Nakahatas Kollege und ehemaliger Leiter von Super-K, erhielt 2015 den Physiknobelpreis für seine Entdeckung der Neutrino-Oszillation.)

„Super-K hat die Teilchenphysik genauso stark beeinflusst, wenn nicht sogar stärker als der LHC, der Collider am CERN, mit dem das Higgs-Boson entdeckt wurde“, sagt Janet Conrad, Neutrinophysikerin am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.

„Ich bin begeistert, dass Super-K jetzt mit Gadolinium-Dotierung anläuft. Ich finde die Physik sehr spannend“, sagt Conrad. „Ich freue mich auch für meine Freunde Mark Vagins und John Beacom. Es gab viele Leute, die sagten, dass dies aus vielen Gründen nicht möglich sei.“

Hyper-K

Selbst während Super-K einen neuen Anfang macht, drängen japanische Physiker auf einen noch größeren Bruder namens Hyper-Kamiokande. Die Universität Tokio hat sich für das 55-Milliarden-Yen-Projekt stark gemacht, und die Forscher warten nun darauf, ob die nationale Regierung das Projekt finanziert. Eine Entscheidung wird im August erwartet.

„Wir wollen in zwei Jahren mit dem Bau von Hyper-K beginnen und dann etwa 2027 in Betrieb gehen“, sagt Projektleiter Masato Shiozawa, Physiker an der Universität und langjähriges Mitglied der Super-K-Kollaboration.

Der Tank von Hyper-K würde 260.000 Tonnen Wasser fassen, mehr als fünfmal so viel wie der von Super-K. Durch seine schiere Größe wäre es viel effektiver bei der Entdeckung von Supernovae, aber es sollte auch helfen, ein anderes kosmisches Geheimnis zu erforschen: warum das Universum hauptsächlich aus Materie zu bestehen scheint und nur wenig Antimaterie vorhanden ist.

Ein entscheidender Schritt zum Verständnis dieses Unterschieds, so die Theoretiker, ist die Messung einer Asymmetrie zwischen Neutrinos und Antineutrinos, insbesondere ein Unterschied in der Geschwindigkeit, mit der Antineutrinos ihre drei Geschmacksrichtungen durchlaufen, im Vergleich zu der von Neutrinos. Super-K hat mit Neutrinos, die von einem Teilchenbeschleuniger durch die Erdkruste geschossen wurden, bereits starke Hinweise auf einen solchen Unterschied festgestellt, aber Hyper-K wäre in der Lage, viel präzisere Messungen vorzunehmen.