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"SUPERKAMIOKANDE"
   
         
23.03.05 - 12:49:58
   
       
   
         
fusion • Michael Wagner
   
       
   
             
          fusion    



Die Frage nach der Energieproduktion in unserer Sonne wurde im 19. Jhd. kontrovers diskutiert. Schon Helmholtz argumentierte, daß die Schwerkraft die ursprüngliche Quelle der Sonnenenergie sein sollte. Auch nach Lord Kelvins Ansicht sollte eine langsame, kontinuierliche Kontraktion der Sonne das Gravitationspotential ändern und dabei jene ungeheuren Energien freisetzen, die Leben auf der Erde erst ermöglicht. Kelvin errechnete dabei eine Lebensdauer der Sonne von ungefähr einer Million Jahre. Dies stand aber in einem ernsten Konflikt mit Erkenntnissen der Geophysik und auch der Evolutionstheorie von Darwin, die für das Alter der Erde wesentlich längere Zeiträume errechneten. Wie aber könnte die Erde älter als die Sonne sein?

Erst die Entdeckung der Radioaktivität und später des Massendefekts von Atomkernen brachte die Forscher der Antwort auf diese fundamentale Frage nach dem Ursprung der Sonnenenergie näher. Entscheidend dabei war die von Einstein gefundene Energie-Masse Beziehung E = m c2, und die experimentelle Entdeckung, daß ein Heliumkern leichter ist als vier Wasserstoffkerne. Man wußte bereits, daß in der Sonne hauptsächlich Wasserstoff und Helium vorhanden sind und tatsächlich konnten C.F. von Weizsäcker und H. Bethe zwei Prozesse (den sogenannten CNO-Zyklus und die pp-Kette) identifizieren, die die Fusion von vier Wasserstoffkernen zu Helium ermöglichen. Die Lebensdauer der Sonne erstreckt sich bei diesen Prozessen auf Milliarden von Jahren und der Konflikt mit Erkenntnissen der Geophysik und Biologie war ausgeräumt.

Schnell erkannte man, daß bei der Fusion ein Effekt von größter Wichtigkeit ist. Die sogenannte "Schwache Wechselwirkung" ist verantwortlich für den entscheidenden ersten Schritt, der Verschmelzung zweier Wasserstoffkerne zu Deuterium. Die Schwache Wechselwirkung ist einer der vier fundamentalen Kräfte der Natur, die wir heute kennen. Sie ist, unter anderem, für den Beta-Zerfall vieler Atomkerne verantwortlich. Diese Zerfälle wurden in den 30er Jahren intensiv studiert. Es war Wolfgang Pauli, der in einem berühmten Brief an eine Tagung von Atom- und Kernphysikern in Tübingen die Existenz eines "geisterhaften", neutralen Teilchens postulierte, das bei diesen Prozessen freigesetzt werden mußte: Das Neutrino war geboren! Geisterhaft wurde es genannt, weil es das einzige Teilchen ist, das ausschließlich nur über die Schwache Wechselwirkung mit Materie reagieren kann. Auch bei den Prozessen in der Sonne werden Neutrinos emittiert. Wegen der so geringen Wahrscheinlichkeit mit Materie zu reagieren, ist die Absorptionslänge von Neutrinos riesig groß. Sie durchdringen ohne nennenswerte Absorption die Sonne, von der sie im Zentrum emittiert werden. Ihre Anzahl ist gewaltig: Auf der Erde kommen pro Sekunde ca. 60 Milliarden Neutrinos pro Quadratzentimeter an! Allerdings machen sie sich aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung kaum bemerkbar. Auch in großen, modernen Detektoren der Teilchenphysik bleibt die Entdeckung von Neutrinos ein schwieriges Unterfangen. Trotzdem schlug Ray Davis Ende der 60er Jahre ein Experiment vor, Sonnenneutrinos erstmals auf der Erde nachzuweisen. In einem Untergrundlabor der Homestakemine in den USA konnte er dann tatsächlich die Reaktion von Sonnenneutrinos zweifelsfrei nachgewiesen. Damit war die grundlegende Idee der Energieproduktion in der Sonne, die thermonukleare Fusion von Wasserstoff zu Helium, bewiesen. Für die Astrophysik ein bedeutender Meilenstein, war doch damit generell die Frage nach der Energiefreisetzung in Sternen beantwortet.

Das solare Neutrinorätsel

Auch nach dem experimentellen Nachweis solarer Neutrinos war die Zeit der Überraschungen nicht vorüber. Da sowohl die Massen der bei der Fusion beteiligten Teilchen , als auch die pro Sekunde in der Sonne freigesetzte Energie bekannt sind, kann man den zu erwartenden Fluß solarer Neutrinos auf der Erde recht genau abschätzen. Zur Verblüffung der Physiker wurde in dem Homestake-Experiment aber nur etwa ein Drittel der Neutrinos nachgewiesen. In den letzten beiden Dekaden wurden neue Experimente zur Erforschung solarer Neutrinos durchgeführt. Insgesamt nehmen zur Zeit sechs, voneinander unabhängige, Detektoren Daten zu solaren Neutrinos auf und von fünf sind die Resultate publiziert. Sie alle haben eines gemeinsam: Es werden signifikant viel zu wenig Neutrinos nachgewiesen! Was kann die Ursache dafür sein?

Ein möglicher Grund könnte in unserem mangelnden Verständnis der Sonnenphysik liegen. Die fundamentale Idee der thermonuklearen Fusion wurde zwar bestätigt, aber vielleicht fehlt uns noch das Verständnis für Details, um den Neutrinofluß wirklich genau genug berechnen zu können. In der Tat war das erste Experiment in Homestake nur auf einen winzigen Ausschnitt des gesamten Neutrinospektrums der Sonne sensitiv, der zudem sehr empfindlich von Details des Sonneninnern abhängt. Deshalb wartete man Anfangs der 90er Jahre gespannt auf die Ergebnisse der Gallium-Experimente (GALLEX im italienischen Gran Sasso Untergrundlabor, SAGE im Kaukasus), die das gesamte Spektrum der Sonne abdecken. http://www.mpi-hd.mpg.de/nuastro/gallex.html

Die wiederum zeigten, daß der Fluß solarer Neutrinos, gemittelt über den gesamten Bereich, nur etwa 60% des erwarteten Wertes beträgt. Zusammen mit Ergebnissen japanischer Experimente ( KAMIOKANDE und SUPERKAMIOKANDE http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/doc/sk/index.html ) wurde klar, daß eine astrophysikalische Erklärung des Rätsels sehr unwahrscheinlich ist. Zudem gibt es seit ca. 10 Jahren eine weitere Möglichkeit in das Zentrum der Sonne zu sehen: Die Helioseismologie.

Dabei werden in Satellitenexperimenten stehende Wellen auf der Sonnenoberfläche exakt vermessen. Diese Schwingungen entstehen durch Schallwellen, die tief ins Innere der Sonne eindringen können. Die Messung der Schallgeschwindigkeit erlaubt einen genauen Vergleich mit unserem gängigen Sonnenmodell, und die experimentellen Werte stimmen damit erstaunlich exakt überein. Ein weiterer Hinweis, daß die Sonnenphysik hinreichend gut bekannt ist und nicht für das beobachtete Defizit an Neutrinos verantwortlich ist. http://www.stw.tu-ilmenau.de/links/astro/index.html

Dem Rätsel auf der Spur

Viele Möglichkeiten zur Erklärung des Neutrinorätsels wurden vorgeschlagen. So werden verschiedene Verzweigungsverhältnisse der von Weizsäcker und Bethe ermittelten Fusionszyklen in kernphysikalischen Experimenten (LUNA im Gran Sasso Labor) vermessen, die im Sonnenmodell Eingang finden. Bislang wurde keine nennenswerte Abweichung gefunden, die das Neutrinodefizit erklären könnte. Die wichtigen Gallium-Experimente wurden mit künstlichen, auf der Erde erzeugten, Neutrinoquellen getestet mit dem Ergebnis, daß keine Abweichung vom erwarteten Resultat gefunden wurde. Alles deutet darauf hin, daß die Ursache des Rätsels im Neutrino selber liegt. Verändert es seine Eigenschaften während der Reise von ca. 499 Sekunden von der Sonne zur Erde?

Seit geraumer Zeit ist bekannt, daß es drei Arten (engl. "flavours") von Neutrinos gibt. Das Homestake- und auch die Gallium-Experimente sind aber nur auf eine Art empfindlich; auf jene die in der Sonne produziert wird, dem sogenannten Elektron-Neutrino (daneben gibt es das Myon- und das Tau-Neutrino).Verwandelt sich ein Teil der von der Sonne ausgehenden Neutrinos in eine andere Art, kann dieser Teil nicht mehr im Detektor nachgewiesen werden. Dies könnte eine Erklärung des beobachteten Defizits an Neutrinos sein. In der Theorie der Teilchenphysik wurde diese Umwandlung schon in den 60er Jahren von Pontecorvo als "Neutrinooszillationen" vorgeschlagen. Dabei verändert ein Neutrino während seiner Bewegung durch den Raum kontinuierlich seine Art. Es "schwingt" vom Ausgangszustand in den fremden "flavour" und zurück. Die Frequenz wird dabei von der Massendifferenz der Neutrinozustände bestimmt. Neutrinooszillationen bedeuten also, daß Neutrinos Masse besitzen müssen. Dies ist zum einen von weitreichender Bedeutung für die Teilchenphysik, zum anderen kann es aber auch für die Kosmologie wichtig sein, da kurz nach dem Urknall eine ungeheure Anzahl an Neutrinos in das Universum geschleudert wurde. Besitzen diese Neutrinos nun Masse, könnten sie die Entwicklung des Kosmos bestimmen. ...

http://www.astroteilchenphysik.de/topics/neutrino/sol.htm