Gallex

GALLEX oder Gallium Experiment war ein radiochemisches Experiment zum Nachweis von Neutrinos. Es lief von 1991 bis 1997 am Laboratori nazionali del Gran Sasso (LNGS). Das Projekt wurde von einer internationalen Kollaboration aus amerikanischen, deutschen, französischen, italienischen, israelischen und polnischen Wissenschaftlern unter Leitung des Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg durchgeführt.

Ziel des Experiments ist der Nachweis der solaren Neutrinos und damit die Prüfung von Theorien zu den Energieerzeugungsmechanismen der Sonne. Zuvor gab es keine Beobachtungen zu niedrigenergetischen solaren Neutrinos.

Aufstellort

Die Hauptkomponenten des Experiments, der Tank und die Zähler, lagen in den unterirdischen astrophysikalischen Laboratorien Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italien, Region Abruzzen, in der Nähe von L’Aquila innerhalb des 2912 Meter hohen Gran Sasso-Massivs. Der Aufstellort entspricht einer Tiefe von 3200 Meter Wasser. Dies ist notwendig um den Detektor von kosmischer Strahlung abzuschirmen. Das Labor ist über die Autobahn A-24 erreichbar, welche durch den Berg verläuft.

Detektor

Der 54 m³ fassende Detektortank war mit 101 Tonnen einer Galliumtrichlorid-Salzsäure Lösung gefüllt. Diese enthielt 30,3 Tonnen Gallium, wahrscheinlich die größte Menge Gallium, die je verwendet wurde. Das Gallium in der Lösung agierte als Target für eine neutrino-induzierte Kernreaktion (Neutrinoeinfang oder inverser Betazerfall). Dadurch wird es in Germanium durch folgende Reaktion umgewandelt:

ν_e + ⁷¹Ga → ⁷¹Ge + e^-.

Der Schwellenwert für den Neutrinonachweis liegt bei dieser Reaktion bei 233,2 keV. Es können also nur Neutrinos mit einer Energie größer als 233,2 keV nachgewiesen werden. Der relativ niedrige Schwellenwert ist ein Grund, warum Gallium als Detektormaterial benutzt wurde. Andere Detektoren haben höhere Schwellenwerte wie zum Beispiel das Homestake-Chlorexperiment mit 813 keV durch den Nachweis von Argon-37. Mit dem Nachweis von ⁷¹Ge ist können auch Neutrinos aus der primären Proton-Proton-Reaktion der Sonne mit einer maximalen Energie von 420 keV detektiert werden.

Das entstandene Germanium-71 wurde chemisch aus dem Detektor extrahiert. Es lag als [71]Monogerman ⁷¹GeH₄ vor. Dessen Zerfall, mit einer Halbwertzeit von 11,43 Tagen, wurde mit Proportionalzählrohren nachgewiesen. Jeder nachgewiesene Zerfall entspricht einem eingefangenem Neutrino.

Resultate

Das GALLEX-Experiment war das erste Experiment, das Neutrinos aus der p-p-Reaktion, aus der die Sonne den größten Teil ihrer Energie erzeugt, nachwies. Zwischen 1991 und 1997 maß der Detektor eine Rate von 77,5 SNU (Solar neutrino units), was in etwa 0,75 Zerfällen pro Tag entspricht. Diese Rate ist nur durch einen Beitrag von pp-Neutrinos oder ein Defizit an Neutrinooszillation erklärbar.

Das wichtigste Resultat war der statistisch signifikante Nachweis einer geringeren Anzahl Neutrinos, als es das solaren Standardmodell vorhersagte, das je nach Autor Werte von 125 bis 136 SNU ergibt. Zu einem ähnlichen Defizit war für die höherenergetischen Neutrinos aus der Sonne auch schon das Chlorexperiment gekommen, das schon seit vielen Jahren bekannte solare Neutrinoproblem.

Diese Diskrepanz wurde inzwischen dadurch erklärt, dass Neutrinos im Gegensatz zur bisher gültigen Standardtheorie eine Masse besitzen und daher oszillieren, sich also von einer Neutrinoart in eine andere umwandeln können. Radiochemische Neutrinodetektoren reagieren nur auf eine Neutrinoart (Elektron-Neutrinos) und nicht auf den zweiten oder dritten Neutrino-Flavour. Diese Neutrinooszillation zwischen Sonne und Erde der in der Sonne entstandenen Elektronneutrinos sind für die Diskrepanz verantwortlich.

Andere Experimente

Das erste Experiment zum Nachweis von Solarneutrinos war das Homestake, welches Chlor-37 für den Nachweis von Neutrinos mit Energien von mehr als 814 keV verwendete.

Das Nachfolgeexperiment von GALLEX war das Gallium Neutrino Observatorium oder G.N.O., welche vom LNGS im April 1998 begann.

Ein ähnliches Experiment, welches flüssiges Gallium-71 verwendete, war das Russisch-Amerikanische Gallium Experiment SAGE.

Weblinks

• GALLEX Kollaboration
• The GALLEX detector (englisch)
• The overall GALLEX Solar Neutrino Recording (englisch)