Detektor „XENONnT“ misst erstmals niederenergetische Sonnenneutrinos

Dutzende Milliarden Neutrinos, die durch Kernfusion in der Sonne entstehen, durchdringen pro Sekunde jeden Quadratzentimeter der Erde – und unsere Körper. Obwohl Neutrinos zu den am häufigsten von der Sonne emittierten Teilchen gehören, ist ihr Nachweis eine der grössten experimentellen Herausforderungen in der Teilchenphysik. Der Grund liegt in ihren äusserst schwachen Wechselwirkungen. Da Neutrinos einen einzigartigen Zugang zu astrophysikalischen Fragestellungen und zu „neuer Physik“ bieten, werden weltweit einige spezielle Detektoren für Neutrinos betrieben. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der XENON-Kollaboration haben nun erstmals niederenergetische solare Neutrinos beobachtet, die im Teilchendetektor „XENONnT“ an Elektronen streuen. Die Messung erweitert die Grenze direkter Neutrino-Beobachtungen bis hinunter zu Neutrino-Energien von etwa 17 Kiloelektronenvolt (keV) – der niedrigsten jemals erreichten Neutrino-Energieschwelle. Die Energieschwelle gibt das Limit dessen an, was ein Detektor nachweisen kann.

Der Detektor steht im Gran-Sasso-Labor des Nationalen Instituts für Kernphysik in Italien. An dem Experiment sind rund 30 internationale Forschungseinrichtungen beteiligt, darunter im deutschsprachigen Raum die Universitäten Zürich, Freiburg, Heidelberg, Mainz, Münster, das Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und sowie das Karlsruher Institut für Technologie. Das nun gemessene Signal wurde von „pp-Neutrinos“ dominiert, die bei den Proton-Proton-Fusionsreaktionen entstehen, welche die Sonnenenergie erzeugen und den grössten Teil der solaren Neutrinoemission ausmachen.

Ursprünglich wurde der Detektor XENONnT für die Suche nach den hypothetischen Teilchen der Dunklen Materie in unserer Galaxie konzipiert. Nach der Beobachtung sogenannter kohärenter elastischer Neutrino-Kern-Streuung an hochenergetischen Sonnenneutrinos zeigt die neue Messung, dass derselbe Detektor komplementäre Aspekte der Neutrino-Physik untersuchen kann, während er gleichzeitig seine Suche nach Dunkler Materie fortsetzt. XENONnT entwickelt sich somit zu einem der weltweit empfindlichsten Observatorien für seltene Wechselwirkungen von Teilchen bei niedrigen Energien.

Sein Herzstück ist eine zweiphasige Xenon-Zeitprojektionskammer, ein Detektor mit 5,9 Tonnen hochreinem flüssigem Xenon zur Messung von Teilchenspuren. Das Observatorium ist in 1.400 Metern Tiefe unter dem Gran-Sasso-Massiv installiert. Der zentrale Detektor ist von zwei Wasser-Cherenkov-Detektoren umgeben, die Neutronen und Myonen aus der kosmischen Strahlung als Störsignale („Untergrundsignale“) identifizieren. Dadurch ist er in der Lage, die winzigen Lichtblitze und Ionisationssignale zu rekonstruieren, die entstehen, wenn ein Teilchen mit dem Xenon im Detektor in Wechselwirkung tritt. Die Beobachtung des schwachen, niederenergetischen Neutrinosignals erforderte nicht nur eine Reduktion der Untergrundsignale des Detektors auf ein bislang unerreichtes Reinheitsniveau, sondern auch deren präzise Quantifizierung.

Über Jahre hinweg hat die XENON-Kollaboration Pionierarbeit bei der Entwicklung von Techniken geleistet, um Störsignale durch umfangreiche Materialauswahl, bei der die Gruppe von Prof. Laura Baudis führend beteiligt ist, sowie ein spezielles Kryodestillationssystem, das Radon kontinuierlich aus dem Xenon entfernt, zu unterdrücken.

Die Kollaboration identifizierte und quantifizierte jeden relevanten Untergrundbeitrag bei aussergewöhnlich niedrigen Zerfallsraten, darunter Beta-Zerfälle von Blei- und Krypton-Isotopen, kleinere Beiträge durch Gammastrahlung aus den Detektormaterialien sowie andere untergeordnete Komponenten.

XENONnT gibt einen Einblick in die Zukunft der Physik seltener Ereignisse. Die Technologien, die für den Bau und Betrieb eines der „reinsten“ Teilchendetektoren entwickelt wurden, legen den Grundstein für die nächste Generation von Flüssig-Xenon-Observatorien. Das geplante XLZD-Experiment, dessen Xenonmasse etwa zehnmal grösser ist als die von XENONnT, soll die Suche nach Dunkler Materie auf ein bislang unerreichtes Sensitivitätsniveau vorantreiben. Gleichzeitig wird XLZD niederenergetische Sonnenneutrinos mit aussergewöhnlicher Präzision messen und neue Möglichkeiten in der Neutrinophysik sowie die Erforschung weiterer extrem seltener Prozesse eröffnen.

«Dieses Ergebnis zeigt, dass die für den Nachweis Dunkler Materie entwickelten Technologien auch empfindlich auf die äusserst niederenergetische Neutrinos sind, die in der Sonne erzeugt werden», sagt Laura Baudis, Professorin für Experimentelle Physik an der Universität Zürich. «Dieselben Detektoreigenschaften, die für die Suche nach Dunkler Materie leistungsfähig machen – insbesondere die niedrige Energieschwelle und die detaillierte Kontrolle aller Untergrundbeiträge – erlauben es uns, solare Neutrinophysik in einem neuen Energiebereich zu untersuchen», sagt Florian Jörg, Postdoktorand in der Gruppe von Laura Baudis und führend an der neuen Analyse beteiligt.

Die aktuellen Ergebnisse wurden in einem Seminar im italienischen Untergrundlabor LNGS des Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN) in Italien vorgestellt.

Links:

https://xenonexperiment.org/ XENON Dark Matter Project

The XENON Collaboration (2026): First Measurement of Solar Neutrinos through Elastic Neutrino-Electron Scattering at the keV Scale. arXiv Preprint; arXiv…