Die Jagd nach geo-Neutrinos

Die Schaffung des Magnetfeldes der Erde, die Zirkulation im Mantel und die Plattentektonik sind Prozesse, die ,n erster Linie von der Produktion und Verteilung von Wärme in der Erde bestimmt werden. Zusätzliche Beiträge zur Energieversorgung der Erde kommen aus radiogenischen, chemischen, gravitationellen und anderen Quellen.

Von Interesse sind für Forscher hier unter anderem der Beitrag den radiogenischen Quellen an die Wärmeproduktion der Erde. Um etwas Vernünftiges darüber aussagen zu können, müsste die Forscher die Menge der langlebigen radioaktiven Elemente in der Erde kennen. Die Kenntnisse darüber sind gegenwärtig aber bescheiden und basieren vor allem auf Kenntnissen der Verteilung dieser Elemente im oberen Mantel, sowie auf der Annahme, dass die Zusammensetzung von Meteoriten die gleiche ist, wie die der Erde.

Die wichtigsten radioaktiven Elemente der Erde (Klicken um zu vergrössern)

Die wichtigsten radioaktiven Elemente der Erde (Klicken um zu vergrössern)

Die Uran (U) und Thorium (Th) Zerfallsketten, sowie die von Kalium-40 (40K) machen ca. 99% der gesamten radiogenischen Wärmeproduktion der Erde aus. Jedoch weiss man sehr wenig über die Gesamtmenge dieser Elemente sowie über ihre Verteilung. Die erwartete Menge und Verteilung von Uran, Thorium und Kalium im Erdmantel hängt stark vom verwendeten Model ab.

Neutrinos aus der Erde

Geo-Neutrinos sind die (anti-)Neutrinos die von der natürlichen radioaktiven Prozessen in der Erde herrühren. Die Zerfallsketten von 238U und 232Th beinhalten sechs resp. vier β¯ Zerfälle. 40K zerfällt einerseits durch das Einfangen eines Elektrons und andererseits durch β¯ Zefall, mit einem Verzweigungsverhältnis (branching ratio) von 11% resp. 89%. Die Zerfälle produzieren Wärme und Elektronen anti-Neutrinos. Deshalb gehen Wissenschaftler davon aus, dass die Messung des Durchflusses von Neutrinos direkte Informationen über Menge und Zusammensetzung von radioaktivem Material in der Erde liefern müsste und so auch den radiogenischen Beitrag zur Wärmeproduktion der Erde bestimmt werden könnte.

Feynman Diagramm eines Beta Minus Zerfalls (Klicken zum zu vergrössern)

Fig.1 - Feynman Diagramm eines Beta Minus Zerfalls (Klicken zum zu vergrössern)

Die Erde produziert zumeist Elektronen anti-Neutrinos, während dies Sonne Elektronen Neutrinos aussendet. Der von Modellen durch Uran und Thorium verursachte Durchfluss von anti-Neutrinos soll bei 107 cm-2s-1 liegen, während für Kalium 107 cm-2s-1 erwartet werden. Als Vergleich beträgt der Durchfluss von Neutrinos von der Sonne 6×1010 cm-2s-1.
Der Durchfluss von Geo-Neutrinos dürfte sich allerdings durch die verschiedenen Arten von Erdkruste (kontinentale und ozeanische) und durch die verschiedene Dicke und Zusammensetzung von Ort zu Ort an der Erdoberfläche ändern.

Gegenwärtig gibt es zwei bestehende (KamLAND in Komioka, Japan und Borexino in Gran Sasso, Italien) sowie einen in Bau befindlichen (SNO+ am SNOlab, Kanada). Die Maschinen sind auf Kohlenwasserstoffen basierende Flüssigszintillatoren, welche die Wasserstoffatome für die Reaktion zur Verfügung stellen.
Als Methode für den Nachweis dieser energiearmen anti-Neutrinos dient der inverse Beta-Zerfall (eher β+ Zerfall?): νe + p → e+ + n – 1.806 MeV.
Die ergibt für den Detektor ein Primärssignal (die Ionisierung und Vernichtung des Positrons) und ein Sekundärsignal (die Verlangsamung des Neutrons, dessen Einfangung durch ein Proton und die Emission eines Gamma-Strahls), beide Signale zusammen stellen einen starken Hinweis für den Detektor dar, dass ein anti-Neutrino entdeckt wurde.
Zu beachten ist allerdings, dass es neben den radioaktiven Prozessen in der Erde noch andere Quellen für Elektronen anti-Neutrinos geben kann, allen voran Reaktoren von Kernkraftwerken. Das Energiespektrum der beiden Quellen überlappt aber nur teilweise – anti-Neutrinos aus Reaktoren sind gegen das höhere Energiespektrum verschoben (ca. 10 MeV) und so sind die beiden Quellen unterscheidbar. Je nach der Örtlichkeit in der sich der Detektor befindet, können Kernkraftwerke eine starke Interferenz darstellen und die Entdeckung von geo-Neutrinos erschweren.

Verhältnis von geo-Neutrinos zu anti-Neutrinos aus Reaktoren (Klicken um zu Vergrössern)

Verhältnis von geo-Neutrinos zu anti-Neutrinos aus Reaktoren (Klicken um zu Vergrössern)

Als fundamentale Masszahl für die Entdeckung von geo-Neutrinos gilt das Signal-Rausch-Verhältnis (signal-to-noise ratio) eines Detektors. In Borexino, wo sich der nächste Reaktor in ca. 1000 km Entfernung befindet, beträgt das Verhältnis 1,3, in Kamioko (der nächste Reaktor ist ungefähr 200 km entfernt) beträgt es 0,2.

Die Anzahl der bisher entdeckten geo-Neutrinos haut einem auch nicht gerade vom Sockel. Je nachdem ob man eine Standardabweichung von 1σ (3σ) anschaut bei 106 +29 -28 (106 +89 -78) für KamLAND bei 2135 Messtagen. In Borexino liegt es noch tiefer, nämlich bei 9.9 + 4.1 – 3.4 (9,9 +14,8 -8,2).

Als Bemerkung am Rande: Wenn Kernkraftwerke für Interferenz in den Detektoren sorgen, müsste es dann in Kamioka nicht ordentlich gerauscht haben? Die Distanz beträgt ca 400 km.

Dieser Artikel beruht auf einem Artikel der am 30. März im CERN Courier erschienen ist.

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