image: The Borexino research team has also succeeded in detecting neutrinos from the sun's second fusion process, the Carbon Nitrogen Oxygen cycle (CNO cycle) for the first time. view more
Credit: Borexino Collaboration
Nachdem es den Wissenschaftlern des Borexino-Experiments bereits 2014 gelungen war, Neutrinos aus der Proton-Proton-Kette nachzuweisen, konnten sie nun auch Neutrinos aus dem zweiten Fusionsprozess der Sonne, dem Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff-Zyklus (CNO-Zyklus), messen.
Dies bedeutet, dass alle theoretischen Vorhersagen darüber, wie Energie in der Sonne erzeugt wird, nun auch experimentell bestätigt sind. Die Ergebnisse sind das Ergebnis jahrelanger Bemühungen, die Hintergrundquellen im Energiebereich der CNO-Neutrinos unter Kontrolle zu bringen.
Die Sonne gewinnt ihre Energie durch die Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium. Dies geschieht auf zwei Arten: Der größte Teil, etwa 99 Prozent der Energie, entstammt einem Prozess von Fusionen und Zerfällen, der mit zwei Wasserstoffkernen beginnt und mit einem Heliumkern endet, der sogenannten Proton-Proton- oder pp-Kette.
Den Rest der Energie trägt ein Zyklus bei, bei dem sich insgesamt vier Wasserstoffkerne schließlich zu einem Heliumkern verbinden, mit Hilfe von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff als Katalysatoren und Zwischenprodukten. Bei Sternen größer als unsere Sonne stammt der überwiegende Teil der Energie aus diesem zweiten Prozess, dem aufgrund der Beteiligung von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff sogenannten CNO-Prozess.
Beweis für in den 1930er Jahren postulierten Fusionszyklus
Dieser zweite Zyklus war in den 1930er Jahren von den Physikern Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker unabhängig voneinander als Energielieferant der Sonne postuliert worden, konnte bislang jedoch nicht experimentell bestätigt werden.
Nun ist es den Physikern des Experiments Borexino, das sich im italienischen Gran Sasso Untergrundlabor befindet, erstmals gelungen, diesen Zyklus mit Hilfe der von ihm produzierten Neutrinos nachzuweisen.
Vor einigen Jahren hatte das Team des Borexino-Experiments bereits erstmals eine Gesamtuntersuchung der Fusionsprozesse der pp-Kette mittels ihrer Neutrinos vorgestellt. Maßgeblich beteiligt waren an beiden Messungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Physik-Departments der Technischen Universität München.
Störquellen überdeckten bisher das Signal
Die Neutrinos des CNO-Zyklus waren aufgrund ihrer Energieverteilung schwer von denen zu unterscheiden, die beim radioaktiven Zerfall winziger Spuren anderer Elemente erzeugt werden. Vor allem Bismut-210 aus Spurenverunreinigungen auf der Oberfläche der Detektorwand verdeckte bisher die Signale des CNO-Zyklus.
Aufgrund von Konvektionsbewegungen gelangten diese Verunreinigungen in die Detektorflüssigkeit. Um die Störung zu beseitigen, musste die Konvektion im Inneren des Borexino-Detektors zum Stillstand gebracht werden, was technisch extrem aufwändig war.
Ich habe es lange für nicht möglich gehalten, dass diese Messung erfolgreich sein würde, sagt Stefan Schönert, Professor für experimentelle Astroteilchenphysik an der TU München. Nach sechsjähriger Anstrengung gelang uns dies nun, so dass wir das CNO-Neutrino-Signal jetzt erstmals nachweisen konnten.
Neue Hinweise auf die Metallizität der Sonne
Die Ergebnisse bestätigen nun nicht nur die theoretischen Vorhersagen über die beiden Fusionsprozesse der Sonne, sondern geben auch einen Hinweis auf die Metallizität der Sonne, also die Konzentration der Kerne, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind.
Verschiedene astrophysikalische Untersuchungsmethoden kamen in den vergangenen Jahren zu unterschiedlichen Resultaten. Die neuen Borexino-Ergebnisse unterstützen hier nun die Beobachtungen mit höheren Metallizitätswerten, so Prof. Lothar Oberauer von der TUM.
Wichtig ist dies vor allem im Hinblick auf wesentliche Eigenschaften von Sternen wie ihre Größe, Temperatur, Helligkeit und Lebensdauer, die von der Metallizität bestimmt werden. Die chemische Zusammensetzung der Sonne zu verstehen, ist daher grundlegend für das Verständnis der Eigenschaften aller Sterne.
###
Das Borexino-Experiment befindet sich in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso (Italien) und wurde im Jahr 2007 in Betrieb genommen. Im Borexino-Experiment kooperieren Forschungsgruppen aus Deutschland, Italien, Frankreich, Polen, Russland und den USA. In Deutschland sind folgende Institutionen beteiligt: Technische Universität München, Forschungszentrum Jülich, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Technische Universität Dresden und RWTH Aachen.
Das Borexino-Programm wird gefördert vom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) (Italien), der National Science Foundation (NSF) (USA), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Helmholtz-Gemeinschaft (HGF), der Russian Foundation for Basic Research (RFBR) und der Russian Science Foundation (RSF) sowie vom Narodowe Centrum Nauki (NCN) (Polen). Die Rechenzentren des INFN-CNAF (Bologna), das U-Lite-Rechenzentrum und der Supercomputer JURECA 44 im Forschungszentrum Jülich (Deutschland) stellten Rechenzeit zur Verfügung.
Publikation:
The Borexino Collaboration:
Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun.
Nature, 587, 577582 (2020) DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0
Journal
Nature