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BOREXINO
Sonnenmodell erstmals vollständig bestätigt
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Technischen Universität München
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26. November 2020

Dem Forschungsteam des Borexino-Experiments ist es zum ersten Mal gelungen, Neutrinos aus dem zweiten Fusionsprozess der Sonne nachzuweisen. Damit sind nun alle theoretischen Vorhersagen über die Energieerzeugung im Inneren der Sonne auch experimentell bewiesen. Der Nachweis der entsprechenden Neutrinos war allerdings alles andere als einfach.

Borexino

Der Borexino-Detektor (in dieser Montage links) erlaubt einen Blick auf die Vorgänge im Inneren der Sonne. Bild: Borexino Collaboration  [Großansicht]

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. 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 Physikerinnen und Physikern des Experiments Borexino, das sich im italienischen Gran Sasso Untergrundlabor befindet, erstmals gelungen, diesen Zyklus mithilfe 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.

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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 Technischen Universität München. "Nach sechsjähriger Anstrengung gelang uns dies nun, so dass wir das CNO-Neutrino-Signal jetzt erstmals nachweisen konnten. 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 waren hier in den vergangenen Jahren zu unterschiedlichen Resultaten gekommen. "Die neuen Borexino-Ergebnisse unterstützen hier nun die Beobachtungen mit höheren Metallizitätswerten", so Prof. Lothar Oberauer von der Technischen Universität München. 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 in 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: die Technische Universität München, das Forschungszentrum Jülich, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die Technische Universität Dresden und die RWTH Aachen.

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siehe auch
Sonne: Fusionsprozesse genau rekonstruiert - 26. Oktober 2018
Teilchenphysik: Wie die Sonne ihre Energie erzeugt - 28. August 2014
Borexino: Neues vom solaren Fusionsreaktor - 16. September 2011
Neutrinos: Blick in die Sonne in Echtzeit - 20. August 2007
Links im WWW
Technische Universität München
Borexino Experiment, offizielle Webseite
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