Dunkle Materie-Experimente werfen einen ersten Blick auf den "Neutrino-Nebel"

Der Neutrino-„Nebel“ beginnt sich zu materialisieren.

Leichtgewichtige subatomare Teilchen, sogenannte Neutrinos, haben begonnen, sich ihren Weg in die Daten von Experimenten zu bahnen, die nicht darauf ausgelegt sind, sie zu entdecken. Zwei Experimente, die zur Entdeckung von Teilchen dunkler Materie gebaut wurden, haben erste Einblicke in in der Sonne geborene Neutrinos erhalten, berichten Physiker. „Das ist ein Triumph“, sagt die Neutrinophysikerin Kate Scholberg von der Duke University, die nicht an der Forschung beteiligt war. Die Hinweise auf diese Neutrinos sind ein lang erwartetes Zeichen für die zunehmende Leistung der Detektoren. „Es ist tatsächlich ein Meilenstein“, sagt Scholberg.

Die als „Neutrino-Nebel“ bekannte Signatur legt eine neue Art der Untersuchung der schwer zu entdeckenden subatomaren Teilchen nahe. Sie weist aber auch auf den Anfang vom Ende für Dunkle-Materie-Detektoren dieser Art hin, die darauf abzielen, die nicht identifizierten massiven Teilchen zu entdecken, die den Kosmos ausmachen. Wenn diese Detektoren leistungsfähiger werden, könnte der Neutrino-Nebel potenzielle Anzeichen von Dunkler Materie verdecken. Das XENONnT-Experiment (ausgesprochen „xenon n-ton“) im Nationallabor Gran Sasso in Italien hat Anzeichen von Neutrinos nachgewiesen, die in der Sonne erzeugt wurden, berichteten Physiker am 10. Juli auf dem Internationalen Workshop zur Identifizierung Dunkler Materie im italienischen L’Aquila. Und das PandaX-4T-Experiment im China Jinping Underground Laboratory in Liangshan hat ähnliche Hinweise ergeben, berichteten Forscher auf dem Workshop am 8. Juli und in einem am 15. Juli bei arXiv.org eingereichten Artikel.

Das Ergebnis „öffnet eine neue Tür für die Verwendung unserer Detektoren zur Untersuchung von Neutrinos und der Suche nach damit verbundenen neuen physikalischen Phänomenen“, sagt der Physiker Ning Zhou von der Shanghai Jiao Tong University, stellvertretender Sprecher von PandaX.

Bei den Kernfusionsprozessen, die die Sonne mit Energie versorgen, werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Reaktionen Unmengen von Neutrinos erzeugt (SN: 01.09.14). Einige der energiereichsten entstehen beim radioaktiven Zerfall von Bor-8, einer Borart, die während des Fusionsprozesses entsteht. Wissenschaftler hatten lange vorhergesagt, dass diese Neutrinos häufig genug vorkommen und über die entsprechende Energie verfügen, um in Dunkle-Materie-Detektoren nachgewiesen zu werden. Genau das haben die beiden Dunkle-Materie-Detektoren herausgefunden.

Jedes Experiment enthält mehrere Tonnen flüssiges Xenon. Wenn ein Dunkle-Materie-Teilchen mit dem Kern eines Xenon-Atoms kollidiert, können die Experimente den Rückstoß des Kerns erkennen und so die Anwesenheit Dunkle Materie nachweisen. Neutrinos können aber auch mit Atomkernen kollidieren und ähnliche Rückstöße verursachen. Diese Art der Wechselwirkung, bei der ein Neutrino mit einem ganzen Atomkern statt mit einem einzelnen Proton oder Neutron kollidiert, wurde erstmals 2017 im COHERENT-Experiment mit Neutrinos aus einer Laborquelle beobachtet (SN: 03.08.17). Die beiden neuen Experimente markieren die ersten Anzeichen dafür, dass Neutrinos von der Sonne Kerne treffen. Wissenschaftler hatten solare Neutrinos bereits zuvor auf andere Weise nachgewiesen (SN: 24.06.20).

In Zukunft könnte die Erkennung solarer Neutrinos über die Kerne, die sie umstoßen, Physikern helfen, diese Teilchen besser zu verstehen. Wissenschaftler könnten zum Beispiel das Neutrinosignal untersuchen, um herauszufinden, was den Detektoren möglicherweise fehlt: hypothetische „sterile“ Neutrinos, die, abgesehen von der Gravitation, überhaupt nicht mit Materie interagieren würden (SN: 27.10.21). Dunkle-Materie-Detektoren könnten auch Neutrinos aus anderen Quellen entdecken, etwa von nahegelegenen explodierenden Sternen. „Es ist sehr cool zu sehen, dass wir diesen Detektor in ein Neutrino-Observatorium verwandeln können“, sagt der Physiker Michael Murra von der Columbia University, Mitglied der XENONnT-Kollaboration.

Neutrinos begrenzen die Leistung von Dunkle-Materie-Detektoren noch nicht. Das solare Neutrinosignal würde nur Dunkle-Materie-Partikel mit geringer Masse verdecken, die unterhalb des Massenbereichs liegen, den diese Detektoren am sorgfältigsten auf Dunkle Materie untersuchen. Es ist noch ein langer Weg, bis Neutrinos die Dunkle-Materie-Erkennung höherer Massen überschwemmen.

Die nächste Generation von Dunkle-Materie-Detektoren, über XENONnT und PandaX-4T hinaus, sollte immer noch in der Lage sein, nach Dunkler Materie zu suchen. Aber weitere Verbesserungen werden schwierig werden. Stattdessen könnten Wissenschaftler zu Detektoren übergehen, die die Richtung der einfallenden Partikel messen. Das würde es Forschern ermöglichen, nach dunklen Wechselwirkungen zu suchen, die ihren Ursprung außerhalb der Sonne haben, und so solare Neutrinos aus ihren Daten zu eliminieren.