Ein unterirdischer Detektor in China hat die ersten Signale von „Geisterteilchen“ empfangen

Das JUNO-Observatorium hat seine ersten bedeutenden Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. In den ersten 59,1 Tagen des Betriebs konnte der Detektor sehr genau messen, wie Neutrinos während ihrer Bewegung ihren Typ wechseln. Dies ist ein wichtiger Schritt hin zum Hauptziel des Experiments – zu verstehen, welche Neutrinos schwerer und welche leichter sind.

Das größte Rätsel hat JUNO noch nicht gelöst. Doch die ersten Daten haben gezeigt: Der Detektor funktioniert so, wie es die Physiker erwartet hatten, und ist in der Lage, Neutrinos genauer zu messen als frühere Experimente.

Details

Neutrinos sind winzige Elementarteilchen. Sie entstehen in Sternen, bei Supernova-Explosionen, in Kernreaktoren und anderen hochenergetischen Prozessen. Es gibt sehr viele von ihnen um uns herum, aber es ist äußerst schwierig, sie einzufangen.

Der Grund dafür ist einfach: Neutrinos stoßen fast mit nichts zusammen. Jede Sekunde durchströmen riesige Ströme solcher Teilchen unseren Körper, doch wir spüren davon nichts.

JUNO befindet sich in der Stadt Kaiping in der chinesischen Provinz Guangdong. Der Detektor ist in einer Tiefe von etwa 700 Metern unter der Erde angeordnet. Diese Tiefe ist erforderlich, um die Anlage vor überflüssigen kosmischen Teilchen zu schützen, die die Messungen stören könnten.

Der Detektor selbst ist eine riesige Kugel mit 20.000 Tonnen einer speziellen Flüssigkeit. Diese wird als flüssiger Szintillator bezeichnet. Wenn ein Teilchen mit dieser Flüssigkeit in Wechselwirkung tritt, entsteht ein schwacher Lichtblitz. Genau solche Blitze versuchen die Wissenschaftler zu registrieren.

In dieser Studie fing JUNO keine Neutrinos aus dem fernen Weltraum ein, sondern Antineutrinos von nahegelegenen Kernreaktoren – sogenannte „Doppelgänger“-Teilchen, die in Kernreaktoren entstehen. Der Detektor befindet sich etwa 52,5 km von mehreren Reaktorkernen entfernt, und diese Entfernung wurde bewusst gewählt: Während die Antineutrinos zu JUNO fliegen, haben sie Zeit, ihre Eigenschaften zu verändern.

Am einfachsten lässt sich dies so veranschaulichen: Es gibt drei „Typen“ von Neutrinos. Während des Fluges kann das Teilchen gewissermaßen von einem Typ in einen anderen übergehen. Physiker bezeichnen dies als Oszillationen. Anhand dieser Umwandlungen lässt sich nachvollziehen, wie Neutrinos aufgebaut sind und worin sie sich voneinander unterscheiden.

Die ersten Daten von JUNO ermöglichten es, zwei wichtige Parameter solcher Oszillationen gleichzeitig zu präzisieren. Laut Nature war die Messgenauigkeit 1,6-mal besser als das zusammengefasste Ergebnis früherer Messungen.

Warum dies wichtig ist

Neutrinos sind wichtig, weil sie nicht ganz in das einfache Bild der Teilchenphysik passen. Lange Zeit ging man davon aus, dass sie fast keine Masse haben. Doch Experimente haben gezeigt: Sie haben doch eine Masse, wenn auch eine sehr geringe.

Nun wollen Physiker die Reihenfolge dieser Massen verstehen. Es ist bekannt, dass es drei Arten von Neutrinos gibt. Doch bislang ist unklar, wie sie nach ihrer Masse angeordnet sind: Sind zwei Teilchen schwerer und eines leichter – oder umgekehrt?

Das klingt nach einer eng gefassten Aufgabe, doch tatsächlich hängt sie mit grundlegenden Fragen zusammen: Wie ist Materie aufgebaut, warum sieht das Universum genau so aus, wie es aussieht, und gibt es Physik jenseits des derzeitigen Standardmodells?

JUNO hat die Frage nach der Reihenfolge der Massen noch nicht beantwortet. Die ersten Ergebnisse haben jedoch gezeigt, dass die Anlage für diese Aufgabe bereit ist. Für eine endgültige Antwort werden weitere Daten benötigt.

Hintergrund

Neutrinos werden bereits seit Jahrzehnten erforscht. Sie interagieren so schwach mit Materie, dass zur Erfassung riesiger Detektoren unter der Erde, unter Wasser oder im Eis gebaut werden müssen.

Die unterirdische Lage hilft dabei, das „Rauschen“ durch kosmische Strahlung zu unterdrücken. Und das enorme Volumen des Detektors ist notwendig, da echte Neutrino-Stoßvorgänge mit Materie sehr selten stattfinden.

JUNO ist eines der größten Projekte dieser Art. Es fängt nicht nur einzelne Teilchen ein, sondern versucht, deren Verhalten mit sehr hoher Genauigkeit zu messen. In den kommenden Jahren werden seine Ergebnisse mit den Daten anderer großer Experimente verglichen, darunter Hyper-Kamiokande in Japan und DUNE in den USA.

Quelle

Studie: The JUNO Collaboration, „Measurement of reactor neutrino oscillation with the first JUNO data“, Zeitschrift Nature, 2026.