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Borexino Collaboration erhält Giuseppe and Vanna Cocconi Prize

Jülich, 31. Mai 2021 - Die European Physical Society verleiht den diesjährigen Giuseppe and Vanna Cocconi Prize an die Borexino Collaboration. Die Kollaboration erhält den Preis für ihre bahnbrechende Beobachtung von solaren Neutrinos, die einzigartige und umfassende Erkenntnisse der Sonne als Kernfusionsmotor lieferte.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Borexino-Kollaboration forschen seit 14 Jahren an solaren Neutrinos. Mit dem 1400 Meter tief unter der Erdoberfläche im Gran Sasso Massiv bei Rom gelegenen Observatorium für die fast unbeobachtbaren "Geisterteilchen" haben die Forscher schon mehrmals fehlende Puzzleteile im Mechanismus der solaren Kernfusion gefunden.

Die besondere Anerkennung des Giuseppe and Vanna Cocconi Prize erhalten sie für ihre außerordentlichen Erkenntnisse zu zwei verschiedenen Prozessen, die unseren Stern antreiben: 2018 veröffentlichten sie die bisher umfassendste Analyse von Neutrinos aus den Kernfusionsprozessen im Inneren der Sonne, insbesondere genauere und signifikantere Daten aus den verschiedenen Schritten des sogenannten „pp-Prozesses“. Vor einigen Monaten gelang es den Forscherinnen und Forschern, erstmals die Existenz des sogenannten CNO-Fusionszyklus in der Natur nachweisen: Sie entdeckten solare Neutrinos, die aus diesem Prozess stammen.

Ein Gespräch mit Prof. Livia Ludhova, Leiterin der Neutrino-Gruppe des Jülicher Instituts für Kernphysik (IKP-2).

Prof. Ludhova, was sind solare Neutrinos und wieso sind sie für unser Verständnis von der Funktionsweise der Sonne so wichtig?

Solare Neutrinos werden bei den Kernreaktionen emittiert, die zur Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium im Inneren der Sonne führen. Bei diesem komplexen Prozess entstehen durch mehrere Wechselwirkungen Neutrinos mit charakteristischen Energieverteilungen. Die Proportionen der Raten dieser Wechselwirkungen hängen von verschiedenen Eigenschaften der Sonne ab, wie beispielsweise ihrem Temperaturprofil oder ihrer chemischen Zusammensetzung. Anzahl und Energie der nachgewiesenen Sonnenneutrinos geben uns also wertvolle Informationen über das Innere unseres Sterns und damit über die Prozesse, die das Leben auf der Erde ermöglichen.

Was ist die Borexino Collaboration?

Die Borexino Kollaboration ist ein internationales Team von etwa 100 Wissenschaftlern aus Italien, Deutschland, USA, Russland, Polen und Frankreich. Als die Kollaboration gegründet wurde, war das vorrangige Ziel, sogenannte Beryllium-7 Neutrinos zu messen – Neutrinos aus einer bestimmten Wechselwirkung der Proton-Proton (pp) Reaktionskette. Es zeigte sich jedoch schnell, dass der Borexino-Detektor sogar eine bessere Leistung erreicht, als wir ursprünglich geplant hatten. Deshalb mussten wir uns nicht auf die Be-7-Neutrinos beschränken – es gelang es uns, alle Arten von solaren Neutrinos zu messen.

Das Borexino-Observatorium befindet sich im größten Untergrundlabor der Welt, dem Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italien. Kernstück von Borexino ist ein sehr dünnwandiger kugelförmiger Nylonballon, in dem sich 280 Tonnen einer speziellen Szintillator-Flüssigkeit befinden. Bei den seltenen Reaktionen mit Neutrinos entstehen darin winzige Lichtblitze. Einzelne Lichtteilchen, Photonen, werden detektiert von rund 2000 Sensoren, welche das Licht in elektrische Impulse umwandeln.

Neben solaren Neutrinos misst Borexino auch Geoneutrinos: Neutrinos aus den Zerfällen von Uran-238 und Thorium-232 im Inneren der Erde. Darüber hinaus konnte die Borexino-Kollaboration die Vorhersagen für verschiedene exotische Prozesse genauer eingrenzen: Wir suchen so auch nach neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik.

Ich selbst koordiniere die gesamte Analyse von Borexino mit und leite am Jülicher Institut für Kernphysik eine Neutrino-Gruppe, die an vielen Aspekten des Experiments beteiligt ist. Derzeit besteht die Gruppe aus zwei Postdocs, Giulio Settanta und Oemer Penek, vier Doktoranden, Sindhujha Kumaran, Apeksha Singhal, Alexandre Goettel und Luca Pelicci und einer Masterstudentin, Antonia Weßel. Sie alle sind stark in die Analyse der Borexino-Daten eingebunden und haben viele wertvolle Beiträge geleistet, wie auch in der Vergangenheit Zara Bagdasarian und Mariia Redchuk, die unsere Gruppe und die Kollaboration inzwischen verlassen haben.

Wie geht es mit Ihrer Forschung nun weiter? Was sind Ihre nächsten Ziele?

Der Borexino-Detektor wird die Datenaufnahme im Jahr 2021 stoppen. Die Kollaboration will versuchen, die Präzision der Messung solarer CNO-Neutrinos zu verbessern, da die thermische Stabilität des Detektors, eine wichtige Eigenschaft für die CNO-Messung, immer besser wird.

Wir planen außerdem, den Borexino-Detektor zu nutzen, um zum ersten Mal auch die Richtung der solaren Neutrinos mit einem Flüssigszintillator-Detektor zu messen. Wenn es uns gelingt, die Richtung des Neutrinosignals in der Analyse zu rekonstruieren, können alle Signale, die aus anderen Richtungen kommen, unterdrückt werden. Diese neue Analysetechnik kann dann genutzt werden, um die Empfindlichkeit für Neutrinosignale zu verbessern, auch in zukünftigen Flüssigszintillator-Experimenten, wie in JUNO, dem Jiangmen Underground Neutrino Observatory, an dem auch die Jülicher Gruppe beteiligt ist.

Prof. Livia LudhovaProf. Livia Ludhova
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Ralf-Uwe Limbach

Prof. Dr. Dr. Livia Ludhova ist Leiterin der Neutrino-Gruppe am Jülicher Institut für Kernphysik (IKP-2) und Professorin am Physikalischen Institut IIIB der RWTH Aachen. Ihre Gruppe wird von der Rekrutierungsinitiative der Helmholtz-Gemeinschaft finanziert, eine Förderung, die Livia Ludhova im November 2015 zugesprochen wurde. Sie ist spezialisiert auf die Niederenergie-Neutrino-Physik mit großvolumigen Flüssigkeits-Szintillator-Detektoren, insbesondere auf solare Neutrinos, Geoneutrinos und Neutrino-Massenordnung. Sie ist Mitglied der Borexino- und JUNO-Kollaborationen und Co-Koordinatorin für Physik für Borexino. In der Vergangenheit hat sie auf dem Gebiet der exotischen Atome (muonischer und kaonischer Wasserstoff) und der metamorphen Petrologie (variszische Entwicklung im Tatra-Gebirge, Westkarpaten) gearbeitet.

Weitere Informationen:

Beispielloser Einblick in Fusionsreaktor der Sonne, Pressemitteilung vom 24. Oktober 2018

Signale aus dem Erdinneren: Borexino-Experiment veröffentlicht neue Daten zu Geoneutrinos, Pressemitteilung vom 22. Januar 2020

Ein fehlendes Puzzleteil im Bild des Solarmotors, Erster experimenteller Beweis für Fusionsprozess in schweren Sternen, Pressemitteilung vom 25. November 2020