/ via Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg /
Unter dem Kernkraftwerk Cruas-Meysse in Frankreich könnte eine neue Neutrino-Forschungsanlage entstehen.
In der wunderschönen Region Ardèche in Frankreich, unterhalb des Kernkraftwerks Cruas-Meysse, wurde ein potenzieller Standort für eine neue Neutrino-Forschungsanlage identifiziert. Kernkraftwerke sind nicht nur eine gängige Energiequelle, sondern haben auch einen unschätzbaren Wert für Neutrino-Physiker – denn sie produzieren jede Sekunde 100 Milliarden Milliarden Neutrinos!
Die Idee stammt von Dr. Chloé Goupy, einer Forscherin am Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK), die während ihrer Promotion am CEA Paris-Saclay, der französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie, an der kohärenten elastischen Neutrino-Kern-Streuung (CEνNS) arbeitete.
„Ich suchte nach einem Standort, der die größten Herausforderungen bei der Detektion von Reaktorneutrinos bewältigen könnte: so nah wie möglich an den Reaktorkern heranzukommen und gleichzeitig die Hintergrundstrahlung zu minimieren. Glücklicherweise ist mein Vater Nuklearingenieur in Frankreich und kennt den dortigen Reaktorpark in- und auswendig. Wir erkannten schnell, dass Cruas-Meysse eine außergewöhnliche Chance für Experimentalphysiker:innen bietet: einen weitläufigen unterirdischen Bereich außerhalb der Sperrzone des Reaktors, jedoch in außergewöhnlich geringer Entfernung zum Kern, wo der Hintergrund durch kosmische Strahlung stark reduziert ist“, erklärt Goupy.
Vor kurzem wurden die ersten Schritte zur Umsetzung dieser Idee unternommen. Mit der tatkräftigen Unterstützung des Centre Nucléaire de Production d’Électricité (CNPE) am Standort Cruas-Meysse der Électricité de France (EDF) organisierten Wissenschaftler:innen des MPIK, darunter die OMNIA-Gruppe unter der Leitung von PD Dr. Thierry Lasserre und die Abteilung für Astroteilchenphysik unter der Leitung von Prof. Susanne Mertens, eine Charakterisierungskampagne, um zu beurteilen, ob der Standort als vielseitige Einrichtung für zukünftige Neutrino-Experimente dienen könnte. Das Vorhaben wird von Lasserre geleitet, der auch Experten der CEA zusammengebracht hat, die die Idee von Anfang an unterstützt haben.
„Dieses Kernkraftwerk ist ziemlich ungewöhnlich, da es zum Erdbebenschutz auf einer doppelten Fundamentplatte errichtet wurde. Dadurch können Neutrino-Detektoren in einer Tiefe von nur 15 Meter unterhalb des Reaktorkerns in einer sicheren, gut abgeschirmten und erdbebensicheren Umgebung aufgestellt werden. Kurz gesagt: Wir haben einen Neutrino-Palast gefunden!“, sagt Lasserre.
Die Initiative kommt zu einer Zeit, in der Neutrino-Experimente zunehmend kompakte, modulare und versetzbare Detektoren erforschen, die einen ergänzenden Ansatz zu den groß angelegten, kostspieligen Detektorinfrastrukturen bieten, die dieses Forschungsgebiet traditionell dominiert haben. Lasserre bringt Erfahrung aus dieser gesamten Entwicklung mit: Er spielte sowohl beim groß angelegten Double-Chooz-Experiment, das auf einem riesigen Flüssigszintillator-Detektor basierte, als auch bei der Pionierarbeit für das NUCIFER-Experiment, einem wesentlich kompakteren Reaktor-Neutrino-Detektor, eine Schlüsselrolle.
Dr. Christian Buck aus Mertens’ Abteilung nahm ebenfalls an der Charakterisierungskampagne in Cruas-Meysse teil und brachte damit ergänzendes Fachwissen zu dem von Lasserre ein. Er war ebenfalls an „Double Chooz“ beteiligt und ist nun Co-Sprecher von CONUS+, dem ersten Experiment, das CEνNS aus Reaktor-Antineutrinos mithilfe eines kompakten Detektorsystems beobachtet. „Der Standort bietet eine besonders interessante Kombination aus Neutrinofluss und Hintergrundbedingungen für CEνNS und andere Messungen an niederenergetischen Neutrinos“, kommentiert Buck.
Ein solcher Standort könnte daher nicht nur für Messungen vom Typ CONUS+, sondern auch für zukünftige Experimente mit kompakten kryogenen Detektortechnologien auf der Basis von Materialien wie Germanium und CaWO₄ als flexibles Testfeld dienen, um die Physik der niederenergetischen Neutrinos weiter zu erforschen.
Eine besonders faszinierende Möglichkeit betrifft die resonante induzierte orbitale Elektroneneinfangreaktion (RIOEC), eine alte Idee, deren experimentelle Aussichten nun neu beleuchtet werden. Die Möglichkeit des gleichzeitigen Elektronen- und Neutrinoeinfangs als Mittel zum Nachweis von Neutrinos wurde erstmals von Enrico Fermi vorgeschlagen und anschließend in verschiedenen Zusammenhängen diskutiert, darunter auch bei Reaktorneutrino-Experimenten, wurde jedoch bisher noch nie beobachtet. In ihrem kürzlich eingereichten Forschungsartikel schlagen Dr. Evgeny Akhmedov, Dr. Thierry Lasserre und Leonardo Maturi, Forschende am MPIK, einen neuen, praktikablen Weg zur Suche nach diesem Prozess vor. Der Ansatz könnte einen Einblick in Neutrinos bei Energien unterhalb der 1,8-MeV-Schwelle des inversen Betazerfalls eröffnen, wobei Reaktorantineutrinos eine der vielversprechendsten Quellen für eine erste Beobachtung darstellen. Sollte diese Messung realisiert werden, könnte sich auch eine neue Möglichkeit für den Nachweis von Geoneutrinos und thermischen Solarneutrinos im keV-Bereich eröffnen.
Das EDF-Kernkraftwerk Cruas-Meysse könnte somit zu einem neuen Tor zur Welt der Niedrigenergie-Neutrinos werden.
RIOEC: Resonant Induced Orbital Electron Capture: Novel method for low-energy ν̄e detection
