Die „Seeglocken“ auf dem Grund des Südchinesischen Meeres werden tatsächlich dazu verwendet, kosmische Geisterboten einzufangen!

Seit Hunderten von Jahren nutzen Wissenschaftler Teleskope, um kosmische Photonen einzufangen und so astronomische Beobachtungen durchzuführen. Heute haben sie neue Möglichkeiten. Neutrinos haben wie Geister eine extrem starke Durchdringungskraft und können dem extremen und dichten Universum und der Himmelsumgebung problemlos entkommen, ohne die Richtung zu ändern. Sie helfen Wissenschaftlern, die Mechanismen hinter den gewaltigen Himmelsprozessen aufzudecken und die Geheimnisse des Universums zu lösen.

Auf der Pressekonferenz zu den Ergebnissen des „Sea Bell-Projekts“ des Neutrino-Teleskops im Südchinesischen Meer, die am 10. Oktober von der Shanghai Jiao Tong University abgehalten wurde, veröffentlichte das Tsung-Dao Lee Institute offiziell den Entwurf des „Sea Bell-Projekts“. Das Projekt wird von Jing Yipeng, einem Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und Xu Donglian, einem Tsung-Dao Lee-Stipendiaten, als Chefwissenschaftler geleitet. Es wird den Bau des ersten Tiefsee-Neutrino-Teleskops Chinas untersuchen, um das extreme Universum durch die Erfassung hochenergetischer (unter TeV bis PeV) astronomischer Neutrinos zu erforschen.

Es wird berichtet, dass das Hailing-Team seine erste Probemission auf See abgeschlossen, die Eignung des in Frage kommenden Meeresgebiets als Standort für das Neutrino-Teleskop gemessen und überprüft und den Konzeptentwurf des Neutrino-Teleskops „Hailing“ fertiggestellt hat. Das entsprechende Papier wurde am 9. Oktober in „Nature Astronomy“ veröffentlicht.

Was sind Neutrinos?

In den späten 1920er Jahren entdeckten Wissenschaftler, die den Betazerfall untersuchten (wenn ein Atomkern Elektronen abstrahlt und sich in einen anderen Kern umwandelt), dass bei diesem Prozess ein Teil der Energie verloren geht. Dies hat die Wissenschaftler vor ein Rätsel gestellt: Gilt das Gesetz der Energieerhaltung auch bei subatomaren Prozessen? Im Jahr 1930 glaubte der damals erst 30-jährige ungarische Physiker Pauli fest an das Gesetz der Energieerhaltung und sagte mit außergewöhnlicher Intuition voraus: Bei diesem Prozess müsse es ein neues Teilchen geben, das ungeladen sei, eine extrem kleine Masse habe und so schwach mit Materie wechselwirke, dass es nicht nachgewiesen werden könne. Es ist das Teilchen, das diesen Teil der Energie wegnimmt. Er nannte dieses unbekannte Teilchen das „kleine Neutron“, das heute als „Neutrino“ bezeichnet wird.

Im Jahr 1942 bestätigte der amerikanische Physiker Allen erstmals indirekt die Existenz von Neutrinos durch Experimente nach der vom chinesischen Physiker Wang Ganchang vorgeschlagenen Methode.

Da Neutrinos nur sehr schwach mit Materie interagieren, ist es sehr schwierig, sie direkt nachzuweisen. Sogar Pauli selbst glaubte, dass Neutrinos möglicherweise nie entdeckt werden würden. Schwierigkeiten können den Fortschritt der Wissenschaft jedoch nicht behindern. 26 Jahre nachdem Pauli die Neutrinohypothese aufgestellt hatte, verwendeten Professor Raines von der University of California und andere 400 Liter einer wässrigen Cadmiumacetatlösung als Zielflüssigkeit und gaben sie in einen neu in Betrieb genommenen Kernreaktor (als Neutrinoquelle). Sie maßen 2,8 Neutrinos pro Stunde, was genau mit seiner theoretischen Vorhersage übereinstimmte. Dafür wurde Reinis 1995 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Aus der modernen kosmologischen Forschung wissen wir, dass die Obergrenze der Anzahl der Neutrinotypen bei 3 liegt, das heißt, es gibt 3 Arten von Neutrinos. Zusätzlich zu den oben entdeckten Elektronen-Neutrinos gibt es auch Myon-Neutrinos (entdeckt 1962) und Tau-Neutrinos (entdeckt 1975), die alle das gleiche Antineutrino besitzen.

Ob Neutrinos Masse haben, ist das spannendste Thema in diesem Forschungsfeld. Vor den 1970er Jahren glaubte man allgemein, dass die Masse der Neutrinos Null sei. Im Jahr 1980 gab das Institut für Theoretische und Experimentelle Physik der Sowjetunion bekannt, dass die Masse der Neutrinos nach zehnjährigen Tests zwischen 17 und 40 Elektronenvolt liege, was in der weltweiten Physikergemeinde für Aufsehen sorgte. Seitdem haben viele namhafte Labore auf der Welt unterschiedliche Methoden zur Messung und Überprüfung dieses Ergebnisses übernommen. Experten des Instituts für Atomenergie meines Landes haben diese Forschung Mitte der 1980er Jahre ebenfalls durchgeführt und dabei bestimmte Ergebnisse erzielt.

Am 6. Oktober 2015 wurde der Nobelpreis für Physik dem japanischen Wissenschaftler Takaaki Kajita und dem kanadischen Wissenschaftler Arthur McDonald verliehen. Sie würdigten damit ihre Forschungen zur Entdeckung, dass Neutrinos durch Neutrinooszillation Masse besitzen.

Die Leser fragen sich vielleicht: Die Wechselwirkung zwischen Neutrinos und Materie ist sehr schwach und schwer fassbar, welchen Sinn hat es also, sie zu untersuchen?

Welche Bedeutung hat die Untersuchung von Neutrinos?

Natürlich ist ein einzelnes Neutrino unbedeutend, aber in unserem Universum gibt es eine große Anzahl von Neutrinos. Sie füllen jeden Winkel des Universums, und zwar im Durchschnitt etwa 300 pro Kubikzentimeter, was etwa so viel ist wie bei Photonen und Milliarden Mal mehr als bei allen anderen Teilchen! Daher spielen Neutrinos insgesamt eine entscheidende Rolle im Universum.

Darüber hinaus verfügen Neutrinos über eine weitere Fähigkeit: Sie können sich im Inneren eines Planeten frei bewegen und uns so interne Informationen über die Sonne und die Planeten liefern. Wissenschaftler könnten diese Eigenschaft der Neutrinos auch nutzen, um Tomographie-Scans der Erde durchzuführen und so die tief im Inneren der Erde verborgenen Geheimnisse zu enthüllen. Sie stellen sich außerdem vor, dass Neutrinos zur Informationsübermittlung in die Erde eindringen könnten, sodass die Fernkommunikation nicht über Satelliten und Bodenstationen erfolgen müsste. Sobald die mysteriösen Neutrinos vollständig verstanden sind, werden sie offensichtlich ein äußerst breites Anwendungsspektrum haben.

Wie wurden Neutrinos in der Vergangenheit nachgewiesen?

Die größte Besonderheit von Neutrinos besteht darin, dass sie kaum mit Materie reagieren. Wir können seine Existenz nicht spüren und es ist äußerst schwierig, ihn wissenschaftlich nachzuweisen. Daher ist die Entdeckung und Erforschung der Neutrinos das Ergebnis der harten Arbeit mehrerer Generationen wissenschaftlicher Forscher.

China hat in diesem Bereich wichtige Beiträge geleistet. Im Jahr 2012 gab das Daya Bay Neutrino Laboratory die Entdeckung eines neuen Neutrino-Oszillationsmodus bekannt, was einen wichtigen Meilenstein in der Neutrinoforschung darstellte. Im Dezember 2020 schloss das Daya Bay Reactor Neutrino Experiment seine wissenschaftliche Mission erfolgreich ab und wurde offiziell außer Dienst gestellt. Gleichzeitig begann man mit dem Bau eines weiteren „Nationalschatzes“, nämlich des Jiangmen Neutrino Experiment Detector.

Das Jiangmen Neutrino Experiment (JUNO) befindet sich in der Stadt Kaiping, Stadt Jiangmen, Provinz Guangdong. Es handelt sich um eine große wissenschaftliche Einrichtung, die gemeinsam von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Provinz Guangdong errichtet wurde. Seine wichtigsten wissenschaftlichen Ziele bestehen in der Bestimmung der Neutrino-Massenordnung und der genauen Messung der Neutrino-Mischparameter. Darüber hinaus werden dort viele andere hochmoderne wissenschaftliche Forschungsarbeiten durchgeführt. Das Projekt soll 2024 fertiggestellt und in Betrieb genommen werden und zu einem der Zentren der internationalen Neutrinoforschung werden.

Der Bau des Jiangmen-Neutrino-Experiments begann im Jahr 2015 und wurde auf dem Berg Dashishan in den Städten Jinji und Chishui, Stadt Kaiping, Jiangmen, Guangdong, durchgeführt. Derzeit sind die meisten Grundbauarbeiten abgeschlossen. Ob es sich nun um die unterirdische Versuchshalle oder die dazugehörigen Wasser-, Strom-, Gas- und sonstigen Geräte handelt, alles ist fertiggestellt und an Ort und Stelle installiert, und mit der Installation der Detektoren wurde nun begonnen.

Eine Möglichkeit, Neutrinos zu erkennen, besteht darin, die von ihnen erzeugten Signale mithilfe von Flüssigszintillationsdetektoren zu erfassen.

Forscher injizieren eine transparente Spezialflüssigkeit – einen Flüssigszintillator (kurz „Liquid Scintillator“) – in eine Plexiglaskugel. Wenn Neutrinos die Kugel durchdringen, besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass sie mit den in der Flüssigkeit dicht verteilten Wasserstoffkernen reagieren. Bei jeder Reaktion entstehen ein Positron und ein Neutron. Das Positron vernichtet sich und gibt ein schnelles Signal ab, während das Neutron nach wiederholten Kollisionen von anderen Wasserstoffkernen absorbiert wird und ein langsames Signal abgibt. Zwei Blitze hintereinander enthüllten den Aufenthaltsort des Neutrinos.

„Je größer der Detektor, desto mehr Signale kann er erfassen, desto mehr Daten kann er sammeln und desto mehr Dinge kann er sehen, die andere nicht sehen können.

Wie „fängt“ das Hailing-Projekt Neutrinos ein?

Es wird davon ausgegangen, dass das erste Pfadfinderteam des „Sea Bell Project“ nach Seeversuchen im nördlichen Südchinesischen Meer eine Tiefseeebene mit einer Wassertiefe von etwa 3,5 Kilometern entdeckt hat. Der Meeresboden ist flach, die Fließgeschwindigkeit ist innerhalb weniger hundert Meter über dem Meeresboden gering und die im Meerwasser gemessene Radioaktivität stimmt mit den öffentlich verfügbaren Daten für normales Meerwasser überein.

Das Sea-Bell-Teleskop wird die gesamte Erde als Schutzschild nutzen, um Neutrinos zu empfangen, die von der gegenüberliegenden Seite der Erde eindringen. „Da es sich in Äquatornähe befindet, kann das Sea Bell-Teleskop Neutrinos am gesamten Himmel in einem 360-Grad-Winkel entlang der Erdrotation erfassen. Dadurch ist eine Rundumbeobachtung von Neutrinos in verschiedene Richtungen möglich, und es ergänzt damit das Antarctic Ice Cube und andere Neutrino-Teleskope auf der Nordhalbkugel.“

Das Pathfinder-Team hat außerdem die optischen Eigenschaften von Meerwasser in einer Tiefe von etwa 3.420 Metern gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die durchschnittliche Absorptions- und Streulänge etwa 27 Meter bzw. 63 Meter betrug. Klares Meerwasser kann die Spuren der Reaktion zwischen Neutrinos und Meerwasser deutlicher „aufzeichnen“.

Die erste Phase des „Hailing“-Projekts wurde Ende 2022 gestartet. Geplant ist der Bau einer Reihe von zehn Teleskopen im ausgewählten Meeresgebiet und deren Verbindung mit einer Inselbasis im Südchinesischen Meer über ein Langstrecken-Unterseekabel. Es wird erwartet, dass der Bau des weltweit ersten kleinen äquatorialen Neutrino-Teleskops im Jahr 2026 abgeschlossen sein wird, die Suche nach Himmelsquellen innerhalb und außerhalb der Milchstraße durchgeführt wird und die vollständige technische Verifizierung des Baus eines großen Arrays abgeschlossen sein wird. Das ultimative Ziel besteht darin, das ultimative große Array zu bauen.

Das Detektor-Array „Sea Bell“ wird aus 1.200 vertikalen Kabeln bestehen, die jeweils etwa 700 Meter lang sind und in einem Abstand von 70 bis 100 Metern wie Seegras vertikal auf dem Meeresboden „wachsen“. Diese Kabel tragen insgesamt 24.000 hochauflösende optische Detektionskugeln. Das gesamte Array hat einen Durchmesser von etwa 4 Kilometern und eine Gesamtfläche von etwa 12 Quadratkilometern. Das Meerwasservolumen, mit dem hochenergetische Neutrinoreaktionen überwacht werden können, beträgt etwa 7,5 Kubikkilometer, und die geplante Lebensdauer beträgt 20 Jahre.

Wissenschaftler sagen voraus, dass das Sea Bell-Detektor-Array innerhalb eines Jahres nach seiner Fertigstellung in der Lage sein wird, eine stabile Neutrinoquelle in der Balkenspiralgalaxie im Sternbild Walfisch zu entdecken und Neutrinoausbrüche von supermassereichen Schwarzen Löchern zu entdecken, die denen ähneln, die IceCube anhand von zehn Jahren Daten nur vorläufig beobachtet hat. Das Sea-Bell-Teleskop wird etwa im Jahr 2030 das modernste Neutrino-Teleskop der Welt sein.

Quelle: Science Popularization China Comprehensive Science and Technology Daily