XENONnT misst erstmals niederenergetische Sonnenneutrinos
Internationales Forschungsteam beobachtet Streuung solarer Neutrinos an Elektronen mit bisher niedrigster Energie.
Forschende der XENON-Kollaboration haben 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 keV – der niedrigsten jemals erreichten Neutrino-Energieschwelle. Der Detektor steht im Gran-Sasso-Labor des Nationalen Instituts für Kernphysik in Italien. An dem Experiment sind rund dreißig internationale Forschungseinrichtungen beteiligt, darunter im deutschsprachigen Raum die Universitäten Freiburg, Heidelberg, Mainz, Münster, das MPI für Kernphysik und das KIT sowie die Universität Zürich. 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-Gebirgsmassiv installiert. Der zentrale Detektor ist von zwei Wasser-Cherenkov-Detektoren umgeben, die Neutronen und Myonen aus der kosmischen Strahlung als 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.
Mehr zu XENONnT
LZ verzeichnet mögliche Signatur eines WIMPs
XENONnT misst präzise – dank Technik aus Münster
Kohärent gestreut
Das feinste Destillat
Mehr als Dunkle Materie
Den Dunklen Sektor im Visier
Über Jahre hinweg hat die XENON-Kollaboration Pionierarbeit bei der Entwicklung von Techniken geleistet, um Störsignale durch umfangreiche Materialauswahl und ein spezielles Kryodestillationssystem zu unterdrücken, das Radon kontinuierlich aus dem Xenon entfernt. Dieses einzigartige Kryodestillationssystem wurde in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christian Weinheimer am Institut für Kernphysik der Universität Münster entwickelt und gebaut. 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.
Die von der Uni Mainz beteiligte Forschungsgruppe wird von Uwe Oberlack geleitet, Co-Sprecher der Kollaboration und Gründungsmitglied des Projekts sowie Mitglied des Exzellenzclusters PRISMA++. Die Gruppe ist insbesondere mitverantwortlich für die neuartigen XENONnT-Neutronen- und Myonen-Veto-Systeme, die für die Identifizierung und Ausfilterung von Myonen und Neutronen aus kosmischer Strahlung zuständig sind. Dadurch wird sichergestellt, dass schwache Signale korrekt identifiziert werden können. Zur Präzision des aktuellen Ergebnisses trägt auch die niederenergetische Kalibrierung mit einer Argon-Quelle bei, die am Mainzer TRIGA-Reaktor als interne Quelle gebaut wurde.
Die aktuellen Ergebnisse wurden in einem Seminar im italienischen Untergrundlabor LNGS des Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN) in Italien vorgestellt. [U Münster / JGU / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
E. Aprile, J. Aalbers, K. Abe, et al. (XENON Collaboration), First Measurement of Solar Neutrinos through Elastic Neutrino-Electron Scattering at the keV Scale, arXiv:2608.29450 [hep-ex]; DOI: 10.48550/arXiv.2608.29450 - XENON Dark Matter Project, xenonexperiment.org, c/o Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Frascati (ROMA)
