Simulation sehr seltener Stöße von Neutrinos

Die Erde wird fortlaufend von Neutrinos bombardiert. Allein von der Sonne kommen 70 Milliarden Neutrinos pro Quadratzentimeter und Sekunde auf der Erde an. Dass sie keinen größeren Schaden anrichten, liegt an der sehr niedrigen Wahrscheinlichkeit, mit anderen Teilchen zu kollidieren: Neutrinos durchdringen die Erde nahezu wechselwirkungsfrei. Physiker interessieren sich für diese sehr geringen Wechselwirkungen, denn sie können Informationen über das Verhalten von Materie zu Antimaterie und über die Eigenschaften der Neutrinos liefern.

Gezielte Experimente in Japan und in den USA sollen Erkenntnisse zu diesen Fragen bringen. Dabei können Neutrinos auf der Erde unter kontrollierten Bedingungen erzeugt werden. So soll zum Beispiel in einem Beschleuniger am Fermilab bei Chicago ein Neutrino-Strahl erzeugt werden, der über eine Distanz von 1300 Kilometern die Erde durchdringen und schließlich in großen Detektoren tief unter der Erde in einer ehemaligen Goldmine in Süd-Dakota nachgewiesen werden soll.

Der Neutrino-Strahl in diesem DUNE-Experiment, das 2030 anlaufen soll, hat viele verschiedene Energien, weil Neutrinos keine elektrische Ladung haben und deshalb nicht nach ihrer Energie unterschieden werden können. Für die Ergebnisse muss die genaue Energie der Neutrinos aber bekannt sein. Diese Information kann nur indirekt gewonnen werden, indem der Endzustand der Reaktion beobachtet wird.

Hier setzt ein Forschungsprojekt am Institut für theoretische Physik der Uni Gießen an. Seit etwa zwanzig Jahren entwickelt eine Arbeitsgruppe dort den Ereignisgenerator GiBUU. Ereignisgeneratoren erzeugen zufällig simulierte Ereignisse der Hochenergie-Teilchenphysik, wie sie in Teilchenbeschleunigern, Collider-Experimenten oder im frühen Universum auftreten.

Das Forschungsteam um Ulrich Mosel und Kai Gallmeister hat mit GiBUU eine Fülle von möglichen Reaktionen der Neutrinos mit dem Detektormaterial beschrieben und simuliert. Der Endzustand der Reaktion mit vielen auslaufenden Teilchen wird so in Abhängigkeit von der Energie des einlaufenden Neutrinos berechnet. Durch Vergleich mit dem Experiment kann dann die Neutrino-Energie zurückgerechnet werden.

Bereits jetzt laufen Vorläufer-Experimente für DUNE am Fermilab. Die dort schon gewonnenen Daten sind nun mit Berechnungen von GiBUU verglichen worden. Die schon durchgeführten Analysen der experimentellen Gruppen deuten darauf hin, dass GiBUU allen anderen Ansätzen in der Beschreibung der Daten überlegen ist.

JLU Gießen / RK