Richtungsweisende neue Ergebnisse des CONUS+ Experimentes

Neutrinos sind subatomare Teilchen, die nahezu masselos sind und nur sehr gering über die schwache Wechselwirkung mit Materie wechselwirken. Sie sind jedoch ein wesentlicher Bestandteil des Standardmodells der Teilchenphysik, das zur Erklärung der Bausteine und Kräfte in unserem Universum verwendet wird, und daher ein faszinierendes Forschungsthema in der Teilchenphysik und Astrophysik. Aufgrund ihrer Eigenschaften können Neutrinos fast ungehindert durch normale Materie dringen, was ihren Nachweis erschwert und aufwändige Versuchsaufbauten erfordert. Eine Methode ist die „kohärente elastische Neutrino-Nukleus-Streuung“ (CEvNS), die bereits1974 vorhergesagt wurde. Es dauerte jedoch bis 2017, bis sie vom COHERENT-Experiment mit teilweise kohärent streuenden Neutrinos aus Pionenzerfällen mit Beschleunigerexperimenten erstmals beobachtet wurde. Im Jahr 2024 wurden mit den Experimenten XENONnT und PandaX Ergebnisse zur Suche nach Dunkler Materie Ergebnisse gewonnen, die darauf hinweisen, dass Neutrinos von der Sonne über CEνNS nachgewiesen wurden. Nun hat CONUS+, ein Experiment im Kernkraftwerk Leibstadt in der Schweiz, CEvNS zum ersten Mal mit Anti-Neutrinos aus einem Kernreaktor bei niedrigen Energien im vollständig kohärenten Bereich nachgewiesen.

CEvNS ist ein spezieller Prozess, bei dem Neutrinos nicht mit einzelnen Quarks oder Neutronen wechselwirken, sondern voll kohärent mit dem gesamten Kern über den Austausch eines Z-Bosons. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit von Wechselwirkungen mit Kernen im Vergleich zu allen anderen Neutrino-Wechselwirkungskanälen um mehrere Größenordnungen. CEvNS erfordert jedoch eine ausreichend große Wellenlänge, was sich in Neutrinoenergien unterhalb von etwa 50 MeV niederschlägt. COHERENT verwendet Neutrinos mit Energien nahe dieser Grenze, um CEvNS nachzuweisen, wobei die Kohärenzbedingung aber nur teilweise erfüllt ist, so dass die Kernstruktur (sog. Formfaktor) noch eine Rolle spielt. CONUS+ verwendet Reaktor-Antineutrinos mit Energien unterhalb von 10 MeV im vollständig kohärenten Bereich, so dass das Ergebnis nicht von der Struktur des Kerns abhängt. Die CEvNS-Messungen von CONUS+ ermöglichen es, jede Art von neuer Physik, die den Streuquerschnitt gemäß dem Standardmodell der Teilchenphysik verändern würde, direkt einzugrenzen oder sogar zu bestimmen. Die aktuellen Ergebnisse und die weiter verbesserten Ergebnisse der kommenden Experiment-Läufe sind daher ein leistungsfähiges Instrument, um auf einzigartige Weise nach neuer Physik zu suchen.

Für das aktuelle Ergebnis wurden im CONUS+-Detektor vier 1-kg-Germaniumdioden mit sehr kleinen Nachweisschwellen verwendet, die zum ersten Mal die Beobachtung winziger Rückstoßenergieereignisse ermöglichen, die durch CEvNS von Reaktor-Antineutrinos ausgelöst werden. CONUS+ wurde mittlerweile mit neuen 2,4-kg-Detektoren aufgerüstet, die wiederum eine verbesserte niedrigere Energieschwelle haben. Die laufende zweite Datenaufnahmeperiode wird daher nicht nur den Datensatz verdoppeln, sondern voraussichtlich auch die Ergebnisse im Laufe dieses Jahres erheblich verbessern. Die Technologie von CONUS+ ist etabliert und könnte um einen weiteren Faktor 10 in der Detektormasse aufgestockt werden. Dies bedeutet, dass sich der langjährige Weg zur Beobachtung von CEνNS absehbar in ein aufregendes neues Gebiet mit Präzisionsmessungen von CEvNS verwandeln wird. Dies hat an sich schon ein sehr bedeutendes physikalisches Potenzial und noch mehr in Kombination mit den erwarteten Verbesserungen bei Beschleunigerexperimenten mit Pionenzerfällen oder bei der nächsten Generation von Detektoren für Dunkle Materie welche Neutrinos von der Sonne nachweisen. 

Weblinks:

• Preprint des Forschungsartikels
• Das CONUS Projekt am MPIK