Unsere Sonne ist ein gigantischer Fusionsofen: Der immense Druck der solaren Schwerkraft und eine Hitze von mehr als 15 Millionen Grad lassen in ihrem Inneren Wasserstoffkerne miteinander verschmelzen. Pro Sekunde verwandeln sich rund 600 Millionen Tonnen Wasserstoff in Helium. In der Sonne erfolgt ein Großteil dieser Fusionsreaktionen durch direkte Verschmelzung von Protonen. Diese sogenannte Proton-Proton-Fusion macht rund 99 Prozent der solaren Fusion aus. Doch schon 1938 postulierten die Physiker Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizäcker unabhängig voneinander, dass es in Sternen noch einen zweiten Fusionsweg geben muss. Bei diesem wirken schwere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff nacheinander als Katalysatoren für die Fusion von Wasserstoff zu Helium. Dieser nach den Elementkürzeln CNO-Zyklus genannte Reaktionsweg soll den Modellen zufolge in masseärmeren Sternen wie der Sonne rund ein Prozent der Kernfusion ausmachen, bei massereicheren Sternen aber die dominante Fusionsform darstellen.
Neutrinos als Boten aus dem Sonneninneren
Wie aber lassen sich diese Vorgänge im Sonneninneren nachweisen? Hier kommen Neutrinos ins Spiel: nahezu masselose Teilchen, die quasi als Nebenprodukt der Fusionsreaktionen freiwerden. Pro Sekunde strömen hunderte Milliarden solcher solaren Neutrinos durch unseren Körper, ohne dass wir es bemerken. Denn diese Teilchen interagieren kaum mit anderer Materie. Nachweisen lassen sie sich daher nur in Detektoren, die enorme Mengen an Wasser, Eis oder anderer Detektormaterie enthalten. Wenn dann doch einmal ein Neutrino mit einem Atom kollidiert, verursacht dies einen winzigen Lichtblitz, der von Photosensoren eingefangen wird. Aus der Energie und dem Spektrum dieser Lichtsignale können Wissenschaftler dann Rückschlüsse auf die Eigenschaften der auslösenden Neutrinos und ihre Herkunft ziehen. Allerdings ist der Nachweis solarer Neutrinos besonders schwierig, weil sie wegen ihrer geringen Energie leicht mit den bei radioaktiven Zerfallsreaktionen freigesetzten Neutrinos zu verwechseln sind.
Eine Anlage, mit der der Nachweis solarer Neutrinos dennoch möglich ist, ist der unterirdische Borexino-Detektor am Gran-Sasso-Laboratorium. Er ist auf gleich mehrfache Weise gegen Störstrahlung durch Zerfallsneutrinos abgeschirmt. Neben der Felsdecke und einer Wasserhülle sind die 278 Tonnen organischer Detektorflüssigkeit noch von zwei weiteren Zonen abschirmender Flüssigkeiten umgeben. Dank dieses Aufbaus gelang es den Forschern der Borexino-Kollaboration in den letzten Jahren bereits, solare Neutrinos der Proton-Proton-Kollision nachzuweisen. Um jedoch die viel selteneren Neutrinos aus dem CNO-Zyklus zu detektieren, mussten sie zusätzliche Reinigungsschritte und statistische Filtermethoden entwickeln. “Die größte Herausforderung war es, den geringen Überschuss zu identifizieren – er entspricht nur einer Handvoll von Ereignissen pro Tag und 100 Tonnen Detektorflüssigkeit”, erklären die Wissenschaftler.
