Neutrino-Experiment legt wieder los

"Der Unterschied zu der Zeit vor dem Upgrade ist erstaunlich: Wir sehen jetzt einen 70-prozentigen Anstieg der Neutrino-Intensität", sagt Sánchez. "Dies ist ein sehr wichtiger Meilenstein, nicht nur, weil höhere Empfindlichkeit und höhere Intensität mehr Daten bedeuten, die wir nach interessanten Ergebnissen durchsuchen können, sondern auch, weil es zeigt, dass wir für die nächste Generation von Neutrinoexperimenten wie HyperKamiokande bereit sind, die sich derzeit im Aufbau befinden." Seit dem ersten Durchlauf Ende letzten Jahres hat die Zusammenarbeit von etwa 350 Wissenschaftler:innen aus der ganzen Welt rund 40000 Neutrinoereignisse gesammelt, die für die Analyse verwendet werden sollen. Innerhalb eines Monats hat das Team so viele Ereignisse gesammelt wie zuvor in mehreren Monaten während der letzten Laufzeit in den Jahren 2010 und 2011.

Ein paar Hintergrundinformationen zum T2K-Experiment und seinem Aufbau: Es soll Neutrino-Oszillationen aufspüren. Dabei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem sich ein Neutrino auf seiner Reise durch den Raum in eine andere Art von Neutrino verwandelt. Dazu werden Neutrino- oder Antineutrinostrahlen von einer Forschungseinrichtung an der Ostküste Japans 295 km durch die Erde zum Kamioka-Observatorium an der Westküste geschickt. Die Strahlen, die pro Puls (alle 1,3 Sekunden) eine Billion hochenergetischer Neutrinos (oder Antineutrinos) enthalten, werden in den Ferndetektor geschickt - einen mit Wasser gefüllten Tank, der so gross ist wie 20 olympische Schwimmbecken, 1000 Meter unter der Erde in einem stillgelegten Bergwerk. Die Forschenden vergleichen die Daten des Nahdetektors, der 280 Meter von dem Punkt entfernt ist, an dem die Neutrinos erzeugt werden, mit denen des Ferndetektors, um zu verstehen, was mit dem Strahl auf seinem Weg passiert ist.

"Der grösste Teil der Physik findet im Nahdetektor statt", sagt Sánchez. Mit ihm wird überprüft, wie viele Neutrinos und Antineutrinos es gibt und welche Energie sie haben, bevor sie oszillieren. Wenn die Wissenschaftler einen Unterschied im Verhalten dieser Neutrinos feststellen, ist dies ein Hinweis auf ein Ungleichgewicht, das der Schlüssel zu der Frage sein könnte, warum wir aus Materie und nicht aus Antimaterie bestehen.

Im Laufe der letzten Jahre wurden der Hauptringbeschleuniger des japanischen Beschleunigerzentrums J-PARC und seine Neutrinostrahlführung und Produktionsinstrumente an mehreren Stellen aufgerüstet, um die Strahlleistung zu erhöhen, die nun etwa 40 % besser ist als zuvor. Auch am Nahdetektor wurden grössere Veränderungen vorgenommen. Neue Subdetektoren und ein geänderter Aufbau sorgen für eine wesentlich reichere Datenernte mit detaillierteren und vollständigeren Informationen darüber, welche Teilchen durch den Nahdetektor geflogen sind. Die Schweiz, insbesondere die Universität Genf und die ETH Zürich, waren an zwei dieser Detektoren massgeblich beteiligt - vom Design und der Konstruktion über die Elektronik und die Tests bis hin zur Installation und Kalibrierung.

Bei den neu installierten Detektoren handelt es sich um den sogenannten SuperFGD, der Spuren um einen Neutrino-Wechselwirkungspunkt im Inneren des Detektors mit einer viel höheren Granularität als bisher nachweist, einen Time-of-Flight-Detektor, der erkennen kann, ob Teilchen hereinkommen oder hinausfliegen, und der sowohl ein Veto einlegen als auch die Teilchen identifizieren kann, und eine Hochwinkel-Zeitprojektionskammer TPC, die den Impuls von Teilchen misst, die über einen weiten Bereich von Teilchenwinkeln ausgesandt werden.

"Diese Detektoren wurden innerhalb von fünf Jahren von der technischen Konzeption bis zum Betrieb gebracht, inklusive einer Pandemie und einer Chip-Krise", erinnert sich Sánchez. Ein Grossteil der Komponenten wurde in verschiedenen Labors entwickelt und getestet und erst für die Installation in Japan zusammengeführt. SuperFGD verwendet einen neuartigen Aufbau aus zwei Millionen szintillierenden Würfeln mit einer Grösse von je einem Kubikzentimeter sowie etwa 60000 optischen Fasern, die es ermöglichen, die Spuren der hindurchfliegenden Teilchen in 3D zu rekonstruieren. Drumherum liegen die Silizium-Photomultiplier des Time-of-Flight-Detektors. Alle Daten und Erkenntnisse, die mit diesen Detektoren gewonnen werden, werden auch dem Nachfolgeexperiment HyperKamiokande zugute kommen.

Die nächste Datennahme ist für Februar vorgesehen, und während die Daten auf jeden Fall irgendwann für die Physikanalyse verwendet werden, werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das nächste Jahr damit verbringen, ihre neu installierte Ausrüstung auszurichten und zu kalibrieren.

Barbara Warmbein