Erstmals haben Forscher eindeutig nachgewiesen, dass das Erdinnere Antineutrinos aussendet. Diese bei bestimmten radioaktiven Zerfallsprozessen entstehenden Teilchen waren bisher nur schwer „einzufangen“. Die erfolgreiche Messung mit dem Borexino-Detektor im italienischen Gran-Sasso belegt jetzt, dass die Hitze im Erdinneren tatsächlich durch Radioaktivität erzeugt wird.
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Die Hitze im Erdinneren ist verantwortlich für die Konvektion im Erdmantel, auf- und absteigende Strömungskreise geschmolzenen Gesteins. Sie sind der Antrieb für die Plattentektonik und damit auch für Phänomene wie Vulkanismus und Erdbeben. Schon seit langem wird die Radioaktivität von
natürlich vorkommenden Uran-, Thorium-, Kalium- und Rubidium-Isotopen als wesentliche Wärmequelle des Erdinneren angenommen. Deren genauer Anteil blieb bislang aber unbekannt. Theoretisch verraten sich diese Isotope durch die beim radioaktiven Betazerfall entstehenden Antineutrinos, die dank ihres ungeheuren Durchdringungsvermögens die gesamte Erde passieren können und so globale Informationen über das Erdinnere liefern.
Antineutrinos durchdringen (fast) alles
Allerdings gestaltet sich der Nachweis der Antineutrinos als sehr schwierig, denn sie durchdringen nicht nur die gesamte Erde, sondern auch die Detektoren der Physiker fast ungehindert. Es gab zwar im Jahr 2004 erste Hinweise auf niederenergetische Antineutrinos aus Messungen des KamLAND-Experiments in Japan. Dieser Detektor litt jedoch unter Störstrahlung durch Antineutrinos aus Kernkraftwerken der Umgebung. Außerdem erschwerten Spuren von natürlicher Radioaktivität im KamLAND- Detektor den japanischen Forschern die Identifikation der Geoneutrinos.
Eine neue Chance bot sich im italienischen Gran-Sasso, wo die internationale Borexino-Kollaboration, an der Institutionen aus Italien, den USA, Deutschland, Russland, Polen und Frankreich beteiligt sind, einen Detektor in einem Untergrundlabor betreibt, der vom Prinzip her dem KamLAND-Experiment sehr ähnlich ist, aber eine 100-fach geringere Rate an unerwünschten Untergrundereignissen aufweist. Das mit 300 Tonnen Flüssigszintillator gefüllte Großgerät wurde ursprünglich zum Nachweis niederenergetischer Neutrinos aus der Sonne entwickelt und liefert seit 2007 erfolgreich Daten.
Geringe Störstrahlung prädestiniert Detektor für Antineutrinos
Doch wenn Sonnenneutrinos dort erfolgreich nachgewiesen werden, warum nicht auch ihr Gegenpart, die Antineutrinos aus dem Erdinneren? Das fragten sich Stefan Schönert vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) und einige seiner Kollegen. Denn immerhin gab es in Borexino nur eine sehr geringe natürliche Radioaktivität und damit nur wenig Störstrahlung. „Die niedrige Radioaktivität in Borexino war der Schlüssel zum Nachweis der Geoneutrinos“, betont der Wissenschaftler.
„Das Innere des Borexino-Szintillatortanks ist heute der hinsichtlich von Störstrahlung beste verfügbare Detektor für solche Messungen“, so Hardy Simgen vom MPIK, der verantwortlich für den Spurennachweis von radioaktiven Edelgasen ist. „Neben der erzielten höchsten Reinheit der Szintillatorflüssigkeit und strahlungsarmen Konstruktionsmethoden hilft uns am Standort in Italien auch die Abwesenheit naher Kernkraftwerke“.
Radioaktivität als Heizung des Erdinneren bestätigt
Und tatsächlich: Es wurde ein klares Signal von Antineutrinos beobachtet, die anhand ihrer Energieverteilung dem radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium zugeordnet werden können. Durch den definitiven Nachweis dieser Geoneutrinos bestätigt sich, dass Radioaktivität zumindest erheblich, wenn nicht sogar überwiegend zur geothermischen Heizleistung von etwa 40 Terawatt beiträgt.
Somit ist man der Lösung dieser grundlegenden Frage der Geologie einen großen Schritt näher gekommen. Unter den weiteren Energiequellen spielt die aus der Erdentstehung herrührende Restwärme die wichtigste Rolle. Ein leistungsstarker natürlicher Kernreaktor im Zentrum der Erde, der von einigen Theorien vorhergesagt wurde, konnte dagegen als signifikante Energiequelle anhand des beobachteten Geoneutrinoflusses ausgeschlossen werden.
Wenn auch Radioaktivität eine wesentliche Rolle als Quelle geothermischer Energie spielt, sind doch weitere Messungen mit einem globalen Netzwerk von Geoneutrino-Detektoren für ein detailliertes Verständnis notwendig. Die Ausnutzung der Geoneutrinos als einzigartige Sonde wird mit neuen Daten aus Borexino, KamLAND und zukünftigen Experimenten umfassendere Erkenntnisse über das Erdinnere und die Wärmequellen darin liefern.
(Max-Planck-Institut für Kernphysik, 16.03.2010 – NPO)
