EIN RIESIGER WASSERTANK FÄNGT ATOMKRAFTWERKE IN 146 KM ENTFERNUNG EIN

Kernreaktoren sind Fabriken für Elektron-Antineutrinos. Im Brennstoff durchlaufen Spaltfragmente den Betazerfall: Ein Neutron in einem Kern wandelt sich in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino um. Reaktoren waren sogar die erste Neutrinoquelle, die je nachgewiesen wurde, im Cowan-Reines-Experiment von 1956. Seitdem haben sie geholfen zu messen, wie Neutrinos oszillieren – unterwegs ihre Art wechseln.

Die Super-Kamiokande-Kollaboration, rund 250 Physikerinnen und Physiker aus Japan, den USA, Europa, Korea, China, Kanada und anderen Ländern, meldet nun, dass auch ihr Detektor sie sieht.

Ein Tank für größeres Wild

Super-Kamiokande ist ein Wasserdetektor mit 50 Kilotonnen, 1.000 Meter unter der Erde in der Kamioka-Mine in Japan. Sein Innenvolumen enthält 32.000 Tonnen Wasser, überwacht von 11.129 Lichtsensoren mit je 20 Zoll Durchmesser. Ein schnelles geladenes Teilchen, das das Wasser durchquert, sendet einen schwachen Lichtkegel aus, das Tscherenkow-Licht, aus dem sich Ort, Richtung und Energie rekonstruieren lassen.

Reaktor-Antineutrinos tragen jedoch nur wenige Millionen Elektronenvolt. In diesem niedrigen Energiebereich geht ein einzelner Blitz leicht zwischen natürlicher Radioaktivität und Trümmern der kosmischen Strahlung unter.

Eine Prise Gadolinium

Der Trick ist eine Signatur in zwei Takten. Trifft ein Antineutrino ein Proton im Wasser, entstehen ein Positron, das sofort aufblitzt, und ein Neutron, das umherwandert, abgebremst und schließlich von einem Kern eingefangen wird. Fängt Wasserstoff das Neutron ein, wird ein einzelner Gammastrahl von 2,2 MeV frei, schwer zu sehen. Fängt Gadolinium es ein, wird eine Kaskade von Gammastrahlen mit insgesamt etwa 8 MeV frei, leicht zu sehen.

Deshalb wurden im Juli 2020 13 Tonnen Gadoliniumsulfat im Wasser gelöst (0,011 Massenprozent); im Juni 2022 kamen 27 Tonnen hinzu (0,033 %). Etwa die Hälfte der Neutronen, später etwa drei Viertel, werden nun von Gadolinium eingefangen, innerhalb von rund 120, später 60 Mikrosekunden. Ein schneller Software-Trigger erfasst Elektronen ab etwa 2,5 MeV mit nahezu 100 % Effizienz.

Lauschen auf die Wakasa-Bucht

Mehrere Kraftwerke liegen etwa 200 km vom Detektor entfernt, überwiegend in Japan, mit einem kleinen Beitrag aus Korea. Die nächstgelegenen aktiven befinden sich an der Wakasa-Bucht: Mihama 3 (146 km), Ohi 3 und 4 (179 km) und Takahama 1 bis 4 (191 km). Zwischen 2020 und 2023 waren viele von ihnen in Betrieb oder wurden wieder angefahren. Der erwartete Fluss wurde Monat für Monat aus der gemeldeten Last jedes Reaktors berechnet, mithilfe der Reaktordatenbank der Internationalen Atomenergie-Organisation.

Der Untergrund stammt von Geoneutrinos – Antineutrinos aus der Eigenradioaktivität der Erde –, von zufälligen Koinzidenzen und von radioaktiven Trümmern, die kosmische Myonen hinterlassen. Um ihn zu messen, nutzte das Team ein glückliches Zeitfenster: Im November und Dezember 2020 waren die wichtigsten Reaktoren an der Wakasa-Bucht abgeschaltet oder fuhren herunter. Die Daten dieser zwei Monate sind fast reiner Untergrund.

Die Analyse umfasst 411,52 Tage Messzeit, von Februar 2021 bis September 2023. Ein Klassifikator auf Basis von maschinellem Lernen sowie Schnitte bei der Zeit (unter 80 Mikrosekunden) und dem Abstand (unter 2 Metern) zwischen den beiden Blitzen wählen die Kandidatenpaare aus.

Ein Signal, das den Reaktoren folgt

Die monatliche Ereignisrate folgt der Aktivität der Reaktoren und stimmt mit der Vorhersage überein, die Oszillationen einschließt. Eine Welt ohne Reaktor-Antineutrinos wird mit einer Signifikanz von etwa 6 Sigma ausgeschlossen: der erste Nachweis von Reaktor-Antineutrinos in Super-Kamiokande. Die Gesamtzahl der ausgewählten Ereignisse nennt die Arbeit nicht.

Aus dem Energiespektrum gewinnt das Team zwei Oszillationsparameter: sin²θ₁₂ = 0,500 ± 0,155 und Δm²₂₁ = (9,08 +0,55/−0,54) × 10⁻⁵ eV².

Neutrinos und Antineutrinos nebeneinander

Super-Kamiokande misst auch Neutrinos von der Sonne, die Materie und nicht Antimaterie sind. Beide zu vergleichen, ist ein Test einer grundlegenden Symmetrie der Physik, der sogenannten CPT-Symmetrie. Die Werte weichen beim Winkel um etwa 1,1 Sigma und bei der Massendifferenz um 2,2 Sigma voneinander ab; insgesamt sind die beiden Datensätze auf dem Niveau von 1,9 Sigma verträglich – kein statistisch signifikantes Anzeichen eines Unterschieds. Kombiniert ergeben sie sin²θ₁₂ = 0,332 (+0,028/−0,026) und Δm²₂₁ = (8,94 +0,46/−0,47) × 10⁻⁵ eV².

Der bei Physical Review Letters eingereichte Preprint enthält eine Unstimmigkeit: Der Verträglichkeitstest wird im Haupttext mit Δχ² = 7,25 und im Anhang mit 7,64 angegeben, beide als 1,9 Sigma bezeichnet. Die Autoren schließen, dass gadoliniumhaltiges Wasser einen riesigen Tscherenkow-Tank in einen funktionierenden Detektor für Antineutrinos von wenigen Millionen Elektronenvolt verwandelt, mit Potenzial für künftige Messungen in diesem Energiebereich.