DAS SALZ DES MEERES FÄNGT GEISTERTEILCHEN

Riesige Neutrinoteleskope wie IceCube und KM3NeT verwandeln natürliches Eis oder Meerwasser in Detektoren: Kubikkilometer an durchsichtigem Medium, überwacht von Tausenden Lichtsensoren. Sie haben Neutrinos mit enormen Energien aus dem tiefen All eingefangen. Doch bei niedrigeren Energien, im Bereich weniger Millionen Elektronenvolt (MeV), stehen ihre Sensoren zu weit auseinander, um eine einzelne Neutrino-Wechselwirkung zu erkennen. Sie bemerken nur einen gemeinsamen Anstieg ihrer Zählraten.

Das ist schade, denn MeV-Neutrinos tragen wertvolle Informationen. Ein naher kollabierender Stern – eine Kernkollaps-Supernova – setzt rund 10⁵⁸ davon frei, direkt aus seinem Inneren. Andere, sogenannte Geoneutrinos, erkunden das Erdinnere; jene aus Kernreaktoren ermöglichen präzise Messungen und Fernüberwachung.

Ein Signal in zwei Takten

Elektron-Antineutrinos werden über eine Reaktion namens inverser Betazerfall eingefangen: Das Antineutrino trifft ein Proton und erzeugt ein Positron – den Antimaterie-Zwilling des Elektrons – und ein Neutron. Das Positron gibt sofort einen Lichtblitz ab. Das Neutron wandert eine Weile umher und wird dann von einem Atomkern eingefangen, der einen zweiten Blitz aussendet. Zwei Blitze, zeitlich und räumlich nah beieinander: eine Signatur, die Hintergrundrauschen selten nachahmt.

In reinem Wasser wird das Neutron nach etwa 200 Mikrosekunden von Wasserstoff eingefangen, wobei ein Gammastrahl von nur 2,2 MeV entsteht. Dichte Detektoren wie Super-Kamiokande oder SNO+ können ihn sehen. In einem dünn bestückten Ozeanteleskop, begraben im Rauschen kosmischer Myonen, im Sensorrauschen und in natürlicher Radioaktivität – vor allem dem im Meerwasser gelösten Kalium-40 –, ist er nahezu unsichtbar.

Chlor als Retter

Ruike Cao, Iwan Morton-Blake, Donglian Xu und ihre Kollegen von der Shanghai Jiao Tong University weisen darauf hin, dass Meerwasser die Lösung bereits enthält. Chlor-35 macht nur etwa 0,25 % der Atomkerne im Meerwasser aus, fängt langsame Neutronen aber rund 130-mal bereitwilliger ein als Wasserstoff (43,6 Barn gegenüber 0,333 – das Barn ist die Einheit, mit der Physiker die Wahrscheinlichkeit angeben, dass ein Atomkern ein Teilchen einfängt). Und sein Einfang setzt eine Kaskade von Gammastrahlen mit etwa 8,6 MeV frei – viermal mehr Energie, also viel mehr Photonen zum Nachweisen.

Der Einfang ist auch schneller: etwa 130 Mikrosekunden in Meerwasser statt etwa 200 in reinem Wasser. Kürzeres Warten bedeutet ein schmaleres Zeitfenster und weniger zufällige Koinzidenzen.

Doppelt so weit

Das Team simulierte die Idee für TRIDENT, ein im Südchinesischen Meer geplantes Neutrinoteleskop der nächsten Generation, das rund 10 Kubikkilometer Wasser mit etwa 1.000 Strängen aus Sensormodulen bestücken soll. Jedes Modul enthält 31 kleine Lichtsensoren, sodass man verlangen kann, dass mehrere davon gleichzeitig ansprechen. Die Simulation berücksichtigte die vor Ort gemessene Kalium-40-Aktivität und die Myonen, die noch eine Tiefe von etwa 3 Kilometern erreichen.

Vier Filter sortieren die Antineutrinos heraus: wie viele Sensoren aufleuchten, die Verzögerung zwischen den beiden Blitzen (unter 0,3 Millisekunden), die Richtung des Lichts und ein Veto, wenn benachbarte Module ein vorbeiziehendes Myon sehen.

Der Gewinn ist groß. Für einen Referenzstern von 27 Sonnenmassen würde TRIDENT den Kollaps allein mit dem ersten Blitz bis zu etwa 50 Kiloparsec (ein Kiloparsec sind rund 3.260 Lichtjahre) mit einer Signifikanz von 5 Sigma erkennen – die Schwelle, ab der Physiker von einer Entdeckung sprechen, mit weniger als einer Chance von einer Million auf einen Zufall. Nimmt man das durch Chlor markierte Neutron hinzu, erweitert sich das auf über 100 Kiloparsec – die doppelte Entfernung. Mit einem anderen Supernova-Modell (30 Sonnenmassen) wächst der Horizont von etwa 60 auf 125 Kiloparsec.

Links: In Meerwasser (blau) erfolgen Neutroneneinfänge schneller und sichtbarer als in reinem Wasser (orange). Rechts: Die Markierung des Neutrons (rot) schiebt TRIDENTs Supernova-Horizont weit über das Signal des ersten Blitzes allein (dunkelblau) hinaus. — Abbildung 2, Cao et al. (2026), arXiv:2610.30754.

Getestet unter einem Berg

Um das Prinzip zu prüfen, senkte das Team ein TRIDENT-Modul in einen Wassertank von 0,5 Tonnen im China Jinping Underground Laboratory, unter 2,4 Kilometern Fels, der die meisten kosmischen Myonen abschirmt. Eine Americium-Beryllium-Quelle in 30 Zentimetern Abstand erzeugte dasselbe Zwei-Takt-Muster wie ein Antineutrino: einen Gammastrahl, dann ein Neutron.

Getestet wurden reines Wasser, auf Meerwasserkonzentration gesalzenes Wasser und gesalzenes Wasser mit zusätzlichem Kaliumchlorid, um die Radioaktivität des Ozeans nachzuahmen. Im Salzwasser zeigte sich ein Überschuss an schnellen zweiten Blitzen, mit einer Signifikanz über 3,4 Sigma (unter der 5-Sigma-Schwelle für eine Entdeckung, aber weit jenseits des Zufalls) und einer Einfangzeit von 0,14 ± 0,04 Millisekunden – im Einklang mit Meerwasser. Ohne Quelle: nichts. Mit dem zugesetzten Kalium war der Überschuss schwächer, um 2 Sigma.

Links: der Testaufbau in Jinping. Rechts: Mit der Quelle im Salzwasser (schwarz) passt ein Überschuss kurzer Verzögerungen zum simulierten Neutroneneinfang (gestrichelt). — Abbildung 3, Cao et al. (2026), arXiv:2610.30754.

Ein Ozean voller Detektoren

Die Autoren sehen denselben Trick auch in anderen Meerwasserteleskopen mit Mehrsensormodulen funktionieren, etwa KM3NeT und P-ONE. Da das Salz schon da ist, stellen sie sich auch über das Meer verstreute Antineutrino-Detektoren vor, jeder für sein eigenes Ziel platziert: explodierende Sterne, Kernreaktoren oder das Erdinnere. Der natürliche Salzgehalt des Ozeans, schreiben sie, wird so zum Vorteil statt zum Störuntergrund. Die Ergebnisse beruhen auf Simulationen eines noch geplanten Teleskops sowie auf einem Tanktest.