/ via Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg /
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der XENON-Kollaboration haben erstmals niederenergetische solare Neutrinos beobachtet, die im Teilchendetektor „XENONnT“ an Elektronen streuen. An diesem Experiment ist am MPI für Kernphsik die Gruppe von Prof. Dr. Teresa Marrodán Undagoitia und Dr. Hardy Simgen maßgeblich beteiligt.
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 Freiburg, Heidelberg, Mainz, Münster, das Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und das Karlsruher Institut für Technologie 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 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 und ein spezielles Kryodestillationssystem zu unterdrücken, das Radon kontinuierlich aus dem Xenon entfernt. 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 aktuellen Ergebnisse wurden am 31. August 2026 in einem Seminar im italienischen Untergrundlabor LNGS des Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN) in Italien von Dr. Giovanni Volta (Postdoc am MPIK) und Dr. Ying-Ting Lin (vormals Postdoc am MPIK, jetzt an der Universität Münster) vorgestellt.
Die Mitglieder der XENON-Gruppe am MPIK sind für die Reinheit des Detektors und der Photosensoren verantwortlich, die das durch Teilchenwechselwirkungen erzeugte Szintillationslicht erfassen. Vor dem Bau von XENONnT und dessen Vorgängerexperiment XENON1T trug die Gruppe dazu bei, den Hintergrund des Experiments zu reduzieren, indem sie Germanium-Screening- und Radonemanationsmessungen an den Detektorkomponenten durchführte. Dies half dabei, die reinsten Materialien für den Bau auszuwählen. Die XENON-Gruppe ist außerdem sehr aktiv in verschiedenen Bereichen der Datenanalyse. Analysis Coordinator Giovanni Volta und Ying-Ting Lin haben maßgeblich zur Auswertung der neuen Daten beigetragen.
Abteilung ‘Astroteilchenphysik’ am MPIK
