Weltgrößter Neutrinodetektor beginnt mit Befüllung von Reinstwasser

Mitarbeiter versiegeln den Boden eines Wassertanks mit Tyvek-Material auf der Baustelle des Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in Jiangmen in der südchinesischen Provinz Guangdong, 16. Dezember 2024. (Xinhua/Jin Liwang)

Der weltgrößte transparente kugelförmige Neutrinodetektor wurde am Mittwoch mit Reinstwasser gefüllt, was bedeutet, dass der Bau der Neutrino-Forschungsanlage seine letzte kritische Phase erreicht hat.

Das ultrareine Wasser wird mit einer Durchflussrate von 100 Tonnen pro Stunde in den Detektorpool des Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) eingespritzt, so das Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, das das Projekt leitet.

Das Herzstück von JUNO ist ein Flüssigszintillator-Detektor, der in einem 44 Meter tiefen zylindrischen Becken in einer unterirdischen Halle untergebracht ist. Diese befindet sich in den Tiefen einer Granitschicht eines Hügels in Kaiping, Jiangmen, in der südchinesischen Provinz Guangdong. Der Detektor wird von einer Schale aus Edelstahlgewebe mit einem Durchmesser von 41,1 Metern getragen, in der sich eine Acrylkugel mit einem Durchmesser von 35,4 Metern befindet. Diese soll nun mit 20.000 Tonnen Flüssigszintillator gefüllt werden.

Dieses am 16. Dezember 2024 aufgenommene Foto zeigt den zentralen Detektor des Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in Jiangmen in der südchinesischen Provinz Guangdong. (Xinhua/Jin Liwang)

Der Detektor ist unter anderem mit 20.000 20-Zoll-Photomultiplier-Röhren und 25.000 Drei-Zoll-Photomultiplier-Röhren sowie mit Kabeln, magnetischen Abschirmspulen und Lichtablenkungen ausgestattet.

Das Becken, in dem der Detektor untergebracht ist, dient als Wasser-Tscherenkov-Detektor bzw. als Abschirmung. An seinem oberen Ende befindet sich ein 1.000 Quadratmeter großer Tracker für kosmische Strahlung. Der Wasser-Tscherenkov-Detektor und der Tracker für kosmische Strahlung arbeiten zusammen, um die kosmische Strahlung aufzuspüren, wodurch die Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf die Neutrinodetektion eliminiert werden.

Dieses Foto vom 17. Dezember 2024 zeigt Photomultiplier-Röhren von der Spitze der Acrylkugel des Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in Jiangmen in der südchinesischen Provinz Guangdong. (Xinhua/Jin Liwang)

Das Wasser im Becken schirmt zudem die Störungen durch die natürliche Radioaktivität des umgebenden Gesteins und eine große Anzahl von Sekundärteilchen ab, die von der kosmischen Strahlung in nahe gelegenen Gesteinen erzeugt werden.

Die Photomultiplier-Röhren, die die Innenwände des Flüssigszintillator-Detektors bedecken, erfassen gemeinsam das Szintillationslicht, das entsteht, wenn Neutrinos vom Flüssigszintillator eingefangen werden. Anschließend werden die Lichtsignale in elektrische Signale umgewandelt und ausgegeben.

Im Vergleich zum internationalen Forschungsstand hat sich das Volumen des Flüssigszintillators um das 20-fache vergrößert, die Photoelektronenausbeute ist um das Dreifache gestiegen, und die Energieauflösung hat ein noch nie dagewesenes Niveau von drei Prozent erreicht.

Wang Yifang (2. v. r.), leitender Wissenschaftler des Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), und Ma Xiaoyan (4. v. r.), leitender Ingenieur des JUNO, überprüfen den Status der Flüssigkeitsfüllung des JUNO in Jiangmen, südchinesische Provinz Guangdong, 18. Dezember 2024. (Xinhua/Jin Liwang)

Der Befüllungsprozess ist in zwei Schritte unterteilt: In den ersten zwei Monaten werden das Becken und der Innenraum der Acrylkugel mit hochreinem Wasser gefüllt. Danach wird das Wasser im Inneren der Acrylkugel in sechs Monaten durch einen flüssigen Szintillator ersetzt.

Der gesamte Befüllungsprozess wird voraussichtlich im August 2025 abgeschlossen sein. Anschließend starten der offizielle Betrieb und die Datenerfassung.

Neutrinos, die kleinsten und leichtesten der zwölf Elementarteilchen, aus denen die materielle Welt besteht, sind elektrisch neutral und bewegen sich mit einer Geschwindigkeit nahe dem Licht. Seit dem Urknall haben sie das gesamte Universum durchdrungen und verschiedene Phänomene hervorgerufen, wie beispielsweise Kernreaktionen im Inneren von Sternen, Supernova-Explosionen, den Betrieb von Kernreaktoren und den radioaktiven Zerfall von Substanzen in Gesteinen.

Dieses am 17. Dezember 2024 aufgenommene Foto zeigt den zentralen Detektor des Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in Jiangmen in der südchinesischen Provinz Guangdong. (Xinhua/Jin Liwang)

Da Neutrinos nur selten mit gewöhnlicher Materie in Wechselwirkung treten, können sie leicht durch unseren Körper, Gebäude oder die gesamte Erde schwirren, ohne dass man sie spürt. Daher kommt der Spitzname „Geisterteilchen“. Aufgrund ihrer schwer fassbaren Natur sind Neutrinos die am wenigsten erforschten Elementarteilchen und erfordern massive Detektoren, um ihre schwächsten Spuren zu erfassen.

Das vorrangige wissenschaftliche Ziel von JUNO ist die Messung der Neutrinomassenhierarchie. Das JUNO-Team besteht aus mehr als 700 Mitgliedern aus 17 Ländern und Regionen.

JUNO soll zu einer wichtigen Einrichtung für die internationale Neutrinoforschung werden, zusammen mit dem Hyper-Kamiokande-Neutrinoexperiment in Japan und dem Deep Underground Neutrino Experiment in den Vereinigten Staaten, welche sich derzeit im Bau befinden.