Die zehnjährige Suche nach Neutrinos der Sonne liefert einen umfassenden Überblick über die Schritte der solaren Energieproduktion. Eine Bilanz des unterirdischen Detektors „Borexino“.

Blick ins Innere des Borexino-Observatoriums während der Aufbauphase: 2200 Lichtsensoren schmücken die Innenseite der Stahlhülle, die den eigentlichen Detektor - einen 8,5 Meter großen Nylonballon, gefüllt mit einer Szintillatorflüssigkeit - umgibt Bild: Gran Sasso National Laboratory

Mehr als ein halbe Milliarde Tonnen Wasserstoff wandelt die Sonne pro Sekunde in Helium um. Die dabei freigesetzte Energie lässt unser Gestirn seit Milliarden Jahren scheinen. Zwar kennen die Physiker die in der Sonne ablaufenden Prozesse seit der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts, einen direkten Blick in den Sonnenreaktor haben sie aber nicht. Mit Teleskopen lässt sich nur die Sonnenoberfläche, die Photosphäre, beobachten. Aus dieser etwa 400 Kilometer dicken Schicht stammt die gesamte elektromagnetische Sonnenstrahlung. Alles darunter verbirgt sich hinter einem dichten Nebel aus Strahlung und elektrisch geladenen Teilchen.

Die einzigen Boten aus dem Zentrum der Sonne sind Neutrinos, die bei den Fusionsprozessen entstehen. Diese ungeladenen Elementarteilchen können das Innere der Sonne nahezu ungehindert verlassen und ermöglichen daher einen Blick in das Herz des solaren Fusionsofens. Seit zehn Jahren registriert eine internationale Forschergruppe mit dem unterirdischen Detektor „Borexino“ die flüchtigen Teilchen, die in der Sonne entstehen. Die Daten, die die Wissenschaftler jetzt in der Zeitschrift „Nature“ vorgestellt haben, „zeigen erstmals das volle Energiespektrum der Sonne auf einen Blick“, sagt Andrea Pocar von der University of Massachusetts in Amherst.

Rund 99 Prozent der Sonnenenergie entstammen demnach der sogenannten Proton-Proton-Kette, bei der Wasserstoffkerne in einem mehrstufigen Prozess zu Helium fusionieren. Die dabei entstehenden Neutrinos haben die Forscher in den vergangenen Jahren mit Borexino eingefangen und untersucht. Um den flüchtigen Teilchen auf der Erde habhaft zu werden – die Neutrinos reagieren nur äußerst selten mit Materie –, muss der Borexino-Detektor vor allem von Myonen abgeschirmt werden. Er befindet sich deshalb in einem unterirdischen Labor im italienischen Gran-Sasso-Massiv. Nur Neutrinos können den 1400 Meter dicken Fels des Apenninengebirges durchdringen und bis zum Detektor gelangen.

Erweiterter Blick auf die solaren Fusionsprozesse

Herzstück von Borexino ist eine acht Meter durchmessende, transparente Sphäre aus Nylon, die mit 300 Tonnen einer organischen Flüssigkeit gefüllt ist. 2200 hochempfindliche Lichtsensoren beobachten die Sphäre von allen Seiten. Sie lauern auf schwache Lichtblitze, die entstehen, wenn ein Neutrino mit einem Molekül der Flüssigkeit zusammenstößt. Für ein einzelnes Neutrino ist die Chance dafür verschwindend gering. Von den Abermilliarden, die den Detektor pro Sekunde durchqueren, entdeckt Borexino dennoch einige Dutzend pro Tag. Je mehr Energie ein Neutrino besitzt, desto mehr Licht entsteht bei der Kollision.

Im Laufe der Jahre konnten die Forscher Neutrinos aus allen Stufen der Proton-Proton-Kette identifizieren. Die wichtigste Erkenntnis der Messungen: Die gesamte Energie der Sonne stammt tatsächlich aus der Fusion von Wasserstoffkernen. Auch wenn das Resultat wenig zu überraschen scheint, so bestätigt es doch die theoretische Vorhersage.

Einige Fragen sind dennoch offengeblieben. Neben Wasserstoff und Helium enthält die Sonne auch schwerere Elemente wie Lithium oder Beryllium. Untersuchungen des Lichtspektrums ergaben unlängst, dass die Konzentration dieser Elemente unter dem früherer Studien liegt. Diese Diskrepanz passt nicht zu den gängigen Modellen vom inneren Aufbau unseres Zentralgestirns. Die nun gemessenen Neutrinos der Proton-Proton-Kette weisen hingegen auf eine höhere Konzentration an schwereren Elementen hin – im Einklang mit den Modellen. Um in dieser Frage endgültig Klarheit zu erhalten, will man künftig auch Neutrinos aus einem zweiten Kernfusionsprozess nachweisen, der für das restliche Prozent der solaren Energieproduktion zuständig ist: dem Kohlenstoff-Stickstoff-Zyklus, kurz CNO-Zyklus. Hier spielen schwere Elemente eine wichtige Rolle.

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Nach einem kürzlich erfolgten Umbau ist Borexino nun auch für diese Neutrinos empfindlich. Gelänge deren Nachweis, würde das wohl nicht nur die Frage nach den schweren Elementen in der Sonne lösen. Die Physiker könnten auch beweisen, dass der CNO-Zyklus tatsächlich in der Natur abläuft und nicht nur in der Theorie existiert. Bei der Sonne mag er nur für ein Prozent der Energieproduktion zuständig sein. Astronomen glauben aber, dass massereichere Sterne praktisch ihre gesamte Leuchtkraft aus diesem Zyklus beziehen.