15.10.2015, Mainz

Neutrinos jagen mit Spezialglas von SCHOTT

Physik-Nobelpreis für Neutrinoforschung/ SCHOTT lieferte Glaskomponenten für kanadisches Neutrino-Teleskop
Herzstück des in zwei Kilometern Tiefe vergrabenen Neutrinoteleskops ist der Detektor mit etwa 10.000 Photomultipliern. Foto: SNO
Herzstück des in zwei Kilometern Tiefe vergrabenen Neutrinoteleskops ist der Detektor mit etwa 10.000 Photomultipliern. Foto: SNO
Elementarteilchen, sogenannte Neutrinos, können sich ineinander umwandeln und besitzen eine Masse. Für diesen in der Teilchenphysik bislang fehlenden Nachweis haben die beiden Wissenschaftler Takaaki Kajita (Japan) und Arthur B. McDonald (Kanada) jetzt den Nobelpreis für Physik erhalten. Bei den Forschungen u.a. am Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Kanada konnte bewiesen werden, dass Neutrinos ihren Typ ändern, während sie von der Sonne zur Erde fliegen. Spezialglaskomponenten mit hervorragenden optischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften haben in den Photomultipliern des SNO mit dazu beigetragen, mehr Licht ins bisherige Dunkel der Neutrinoforschung zu bringen.

Kaum ein Teilchen bietet so tiefe Einblicke in die Vorgänge und Geschichte unseres Universums wie das Neutrino. Schon 1930 wurde es von Wolfgang Pauli vorhergesagt. Lange galt es jedoch als „Geisterteilchen“, bis Frederick Reines und Clyde Cowan 1956 der experimentelle Nachweis gelang. Rund 60 Jahre später ehrten jetzt die königlich Schwedische Akademie und das Nobelpreiskomitee die Neutrinoforscher Takaaki Kajita (Japan) und Arthur McDonald (Kanada) mit dem Physik-Nobelpreis: In Experimenten ist es den Forscherteams in Japan und Kanada gelungen, den scheuen Teilchen weitere Geheimnisse zu entlocken und damit „das Verständnis von Materie und Universum grundlegend zu verändern“, heißt es in der Begründung der Jury. Denn: Ging das Standardmodell der Teilchenphysik bislang davon aus, das Neutrinos keine Masse haben, so konnte dies jetzt widerlegt werden: Neutrinos, von denen es drei Arten – Elektron-, Tau-und Myon-Neutrinos – gibt, können sich ineinander umwandeln. Dies setzt eine Massendifferenz voraus, ergo: Neutrinos verfügen über eine Masse.

Bei den Experimenten am japanischen Super-Kamiokande-Detektor konnte bereits 1998 der Nachweis erbracht werden, dass sich die beim Auftreffen kosmischer Strahlung auf die Erdatmosphäre enstehenden Myom-Neutrinos in einen anderen Typ umwandeln. Das Forscherteam um den Kanadier Arthur B. McDonald konzentrierte sich hingegen auf die sogenannten Elektron-Neutrinos. Diese werden durch Kernreaktionen in der Sonne bei der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium erzeugt. Jede Sekunde treffen dabei pro Quadratzentimeter 65 Milliarden Neutrinos auf die Erde! Anfang des Jahrtausends konnten die Wissenschaftler am SNO beweisen, dass diese Neutrinos ebenso Oszillationen unterliegen, d.h. sich auf ihrem Weg zur Erde von Elektron- zu Tau- und Myon-Neutrinos verwandeln.
Alle Arten von Neutrinos haben einen extrem niedrigen Wirkungsquerschnitt, so dass kaum Reaktionen mit anderen Teilchen stattfinden. Für die Wissenschaft sind sie deshalb „unbestechliche Zeugen“, da sie die unverfälschte Geschichte des Universums erzählen. Ihr niedriger Wirkungsquerschnitt allerdings stellt höchste Anforderungen an die Meßinstrumente, sogenannte Neutrino-Detektoren, mit denen sie nachgewiesen werden können.

Präzise Instrumente benötigen hochreine Glaskomponten
Der Aufwand für die Errichtung eines Neutrino-Teleskops wie des SNO war enorm: Es hat nicht nur die Größe eines zehnstöckigen Gebäudes, sondern ist dazu noch zwei Kilometer tief in einer Nickelmine vergraben. Grund für den Bau unter der Erde ist, dass kosmische Hintergrundstrahlung gefiltert werden muss, um die Messungen nicht zu verfälschen.

Herzstück des Detektors sind rund 1.000 Tonnen hochreinen schweren Wassers, die in eine Kunststoffkugel mit zwölf Meter Durchmesser gefüllt sind. Das schwere Wasser, welches für die Nachweisreaktion erforderlich ist, besteht aus Sauerstoff und Deuterium. Beim Flug durch dieses erzeugen Neutrinos einzelne, ganz wenige Lichtteilchen (Photonen). Um diese zu erkennen, sind Photomultiplier erforderlich. Bei diesen handelt es sich um extrem empfindliche Instrumente, die einzelne Photonen nachweisen können, indem sie diese in elektrische Signale verwandeln und verstärken. Sie sind „die Augen des Detektors“ und auf der gesamten Oberfläche der Wasserkugel verteilt. Durch deren Anordnung und das extrem reine Wasser gelingt es, nicht nur die Energie der Neutrinos zu messen, sondern zudem auch deren Herkunftsrichting zu bestimmen.

Die Photomultiplier sind zum Schutz vakuumdicht von einem Glaskolben umgeben. Das verwendete Material ist kein „normales“ Glas, sondern ein Spezialglas mit besonderen optischen Eigenschaften, das die ultravioletten Strahlung der zu messenden Lichtteilchen durchlässt. Wissenschaftler des kanadischen Neutrino-Observatoriums hatten sich in den 1990er Jahren zur Anfertigung der Glaskomponenten an SCHOTT gewandt.

„Die Anforderungen für die Photomultiplier waren extrem anspruchsvoll. Ein solches Glas musste speziell für diese Anwendung entwickelt werden und hervorragende optische sowie physikalisch-chemische Eigenschaften aufweisen“, erinnert sich der damals für das SNO-Projekt zuständige Materialexperte Dr. Werner Kiefer. Die Glasexperten verwendeten dafür den Glastyp 8246, der speziell auf die hohen Anforderungen hin weiterentwickelt wurde. Sowohl bei der Wahl der Rohstoffe, bei den eigens konstruierten Schmelzwannen, beim Transport und bei den Prüfwerkzeugen – stets arbeiteten die Experten am Limit des technisch Machbaren. „Und immer ging es um extreme Reinheit“, so Dr. Kiefer: „Um sicher zu gehen, ließen wir die Rohstoffe hier in Mainz am Institut für Kernchemie untersuchen“. Der Mainzer Spezialglashersteller fertigte insgesamt 12.000 Einzelstücke. „Alle in Handarbeit – und kein Einziges wurde beanstandet.“

Für SCHOTT, so das Resümee von SCHOTT Research Fellow Dr. Roland Langfeld, eine erfolgreiche Teilnahme an einem Projekt mit hohem Nutzen nicht nur für die Wissenschaft. Extrem strahlungsarme Gläser bekommen eine immer höhere Bedeutung z.B. als Gehäuse für hochempfindliche mikroelektronische Bauteile. Hier kann SCHOTT für seine heutigen Kunden auf die Erfahrungen dieses Projektes zurückgreifen. Der Nobelpreisträger Arthur B. McDonald zeigte sich sehr zufrieden, „dass wir dem Wissen der Welt in der Physik etwas auf einem sehr grundlegenden Level hinzufügen konnten.“ Wie schwer die Neutrinos genau sind und woher ihre Masse kommt, jedoch bleibt mysteriös – ein Rätsel, dass vielleicht nachfolgende Nobelpreisträger-Generationen lösen werden.

SCHOTT ist ein international führender Technologiekonzern auf den Gebieten Spezialglas und Glaskeramik. Mit der Erfahrung von über 130 Jahren herausragender Entwicklungs-, Material- und Technologiekompetenz bietet das Unternehmen ein breites Portfolio hochwertiger Produkte und intelligenter Lösungen an. Damit ist SCHOTT ein innovativer Partner für viele Branchen, zum Beispiel die Hausgeräteindustrie, Pharmazie, Elektronik, Optik, Automotive und Aviation. SCHOTT hat das Ziel, mit seinen Produkten zu einem wichtigen Bestandteil im Leben jedes Menschen zu werden. Das Unternehmen setzt auf Innovationen und nachhaltigen Erfolg. Mit Produktions- und Vertriebsstandorten in 35 Ländern ist der Konzern weltweit präsent. Rund 15.400 Mitarbeiter erwirtschafteten im Geschäftsjahr 2013/2014 einen Umsatz von 1,87 Milliarden Euro. Die Muttergesellschaft SCHOTT AG hat ihren Hauptsitz in Mainz und ist zu 100 Prozent im Besitz der Carl-Zeiss-Stiftung. Als Stiftungsunternehmen nimmt SCHOTT eine besondere Verantwortung für Mitarbeiter, Gesellschaft und Umwelt wahr. www.schott.com
Wichtig für die Qualität der Neutrino-Messungen sind Glaskolben mit hervorragenden optischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften. Foto: SCHOTT
Wichtig für die Qualität der Neutrino-Messungen sind Glaskolben mit hervorragenden optischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften. Foto: SCHOTT
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