Der Hauptdetektor von JUNO befindet sich 750 Meter unter der Erde in einem Speziallabor. Das Foto zeigt das (noch leere) Wasserbecken des Detektors mit dem zentralen Gerüst. In diesem Gerüst befindet sich die Acrylkugel mit 34,5 Metern Durchmesser, gefüllt mit dem flüssigen Szintillator. Die weiße Abdeckung schützt die empfindlichen Komponenten lediglich während der Montage.
JUNO ist präzise zwischen acht bestehenden Kernreaktoren positioniert und liefert so eine Neutrinoquelle für Forschungszwecke. Kernstück ist eine riesige, hochtransparente Acrylkugel mit 34,5 Metern Innendurchmesser, gefüllt mit 20.000 Tonnen einer speziell entwickelten öligen Substanz. Dieser flüssige Szintillator erzeugt Photonen, wenn ein Neutrino mit ihm wechselwirkt, und ist von einem großen, 35.000 Tonnen schweren Wasserbecken umschlossen. Die Photonen werden von einem Array aus etwa 45.000 Photomultiplier-Röhren (PMTs) detektiert, die die Kugel umgeben. Teams der Technischen Universität München (TUM) und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz nutzen die Digitalisierungskarten M4i.2212 von Spectrum Instrumentation in ihren hochpräzisen Laborexperimenten zur Charakterisierung von Flüssigszintillatoren, die eine fortschrittliche Datenerfassung erfordern. Wenn der JUNO-Detektor Ende 2024 in Betrieb geht, wird er der größte jemals gebaute Flüssigneutrinodetektor sein. Der Detektor wird unser Verständnis der Wechselwirkungen und Eigenschaften dieser schwer fassbaren Geisterteilchen erheblich verbessern.
Typische Lichtemissionskinematik einer langsamen Flüssigszintillationsmischung. Auf das Tscherenkow-Licht (rote Linie) in Form eines scharfen zeitlichen Peaks folgt der langsamere Abfall des Szintillationslichts (grüne Linie).
Neutrino-Nachweis:
Die zentrale Acrylkugel enthält den flüssigen Szintillator, der von einer Wasserschicht umgeben ist. Beide müssen hochrein sein, da selbst geringste Verunreinigungen radioaktives Material einbringen könnten. Während der Bauarbeiten mussten die Arbeiter zwei Paar Handschuhe tragen, da selbst Spuren von Schweiß von einem Fingerabdruck das gesamte Projekt verunreinigen und zunichtemachen könnten. Der Detektor befindet sich in einem speziell ausgehobenen Raum 750 m unter der Erde, um ihn vor Umgebungsstrahlung zu schützen.
Wenn ein Neutrino mit dem flüssigen Szintillator (LS) wechselwirkt, gibt es die Wechselwirkungsenergie an die Moleküle dieser Substanz ab. Die enorme Lichtemission des LS (typischerweise > 10.000 Photonen/MeV) ermöglicht eine präzise Bestimmung der abgegebenen Energie. Es wäre sehr hilfreich, auch die Richtung des einfallenden Neutrinos rekonstruieren zu können. In diesem Fall wird das schwache, aber gerichtete Tscherenkow-Licht des Neutrinos beim ersten Durchgang durch das Wasser analysiert, um den Physikern diese Information zu liefern.
Ziel der laufenden Entwicklung von Flüssigszintillatoren in München und Mainz ist es, das schnelle, aber schwache Tscherenkow-Licht vom dominanten Szintillationslicht zu trennen, um eine simultane energetische und richtungsabhängige Rekonstruktion zu ermöglichen. Zu diesem Zweck baute das Team von Dr. Hans Steiger mehrere Präzisions-Laborgeräte mit erhöhter Lichtsammelleistung und zeitlicher Auflösung.
„Wir haben uns für Spectrum-Digitalisierungskarten entschieden, weil sie uns Spitzenleistung bieten, aber im Gegensatz zu Konkurrenzprodukten weder teuer noch kundenspezifisch angefertigt sind“, sagt Dr. Hans Steiger, der das Projekt leitet. „Der modulare Ansatz von Spectrum ermöglichte es uns, genau festzulegen, was die Karten leisten mussten, sodass wir keine Kompromisse eingehen oder Geld für unnötige Funktionen ausgeben mussten. Ich finde es großartig, dass es sich um ein Standard-PCIe-Produkt handelt, sodass wir das System in einem Standard-Computergehäuse erweitern können, sobald wir weitere Fördermittel erhalten. Als Universität, die an großen, langfristigen internationalen Projekten beteiligt ist, benötigen wir zuverlässige Komponenten, und die fünfjährige Garantie von Spectrum gibt uns Sicherheit.“
Der PCIe M4i.2212-x8 Digitizer von Spectrum Instrumentation mit einer Abtastrate von 1,25 GS/s auf 4 Kanälen.
Die Ergebnisse von JUNO fördern auch die astronomische Forschung.
Neben der Rekonstruktion von Ereignissen trägt das Team ein Kalibrierungsprojekt zu JUNO bei. Dabei wird das Detektormaterial mithilfe radioaktiver Gamma- und Neutronenquellen mit vorgegebener Energie und Einfallsrichtung charakterisiert. „Unsere Charakterisierungen von Flüssigszintillatoren sind nur dank der ultraschnellen Digitalisierungskarten möglich, die uns die Arbeit mit Zeiträumen im Pikosekundenbereich erlauben. Außerdem ist der Dynamikbereich von 5 V deutlich besser als der der Konkurrenz, der üblicherweise bei 1 V liegt. Das bedeutet, dass sie die 3-V-Impulse unserer PMTs problemlos verarbeiten können“, erklärt Meishu Lu, Doktorandin in der TUM-Gruppe. Manuel Böhles aus Mainz ergänzt: „Spectrum hat uns sehr geholfen, die besten Lösungen für unser Projekt zu finden und alle Probleme durch ein direktes Telefonat mit einem ihrer Ingenieure zu lösen. Es ist fantastisch, dass sie sich so stark für die Förderung der Grundlagenforschung an vielen Universitäten wie unserer engagieren.“
Das Diagramm zeigt den ersten Impuls der Tscherenkow-Strahlung, gefolgt vom Szintillationssignal, das die Energieinformation liefert. Dies geschieht in weniger als zwei Nanosekunden. Durch die Kombination dieser Informationen lassen sich die Art des Teilchens und sein Ursprung bestimmen. Es könnte aus einem der chinesischen Reaktoren, der Sonne, dem Erdkern oder dem Weltraum stammen. „Bisher war es uns mit Szintillationsdetektoren noch nie möglich, den genauen Ursprung eines Neutrinos zu lokalisieren. Dies eröffnet völlig neue Forschungsfelder“, erklärt Dr. Steiger. „Wenn beispielsweise ein sterbender Stern oder eine sogenannte Supernova große Mengen an Neutrinos in den Himmel aussendet, können wir nun nicht nur die Neutrinos beobachten, sondern auch den Punkt am Himmel, an dem die Explosion stattfand, mit hoher Präzision rekonstruieren. Wir verfügen nun quasi über ein Teleskop, um diese verschiedenen Neutrinoquellen zu beobachten und die Prozesse besser zu verstehen.“ Durch den Nachweis von Licht über das gesamte Spektrum, Gravitationswellen und nun auch Neutrinos mit hoher Statistik, Energieauflösung und Richtungsbestimmung beginnt eine neue Ära der Multi-Messenger-Astronomie.
