Botschaften aus dem Erdinneren

Forscher blicken mit Neutrinohilfe ins Innere unseres Planeten: Die flüchtigen Elementarteilchen zeugen von den Vorgängen tief im Erdmantel.

Die Aussicht ist grandios: Schneebedeckte Gipfel mitten in den italienischen Abruzzen. Doch Daniel Bick genießt sie nur flüchtig, dann steuert er seinen Wagen in die dunkle Röhre eines zehn Kilometer langen Autobahntunnels durch das Gran-Sasso-Massiv. Auf halber Strecke fährt der Hamburger Physiker rechts heran, stoppt vor einem wuchtigen Tor und drückt die Klingel einer Gegensprechanlage. Ein knapper Dialog mit dem Sicherheitspersonal, dann darf Bick passieren. Er hat sein Ziel erreicht – das LNGS, Europas größtes Untergrundlabor für die Teilchenphysik. Es besteht aus drei erstaunlich geräumigen Hallen, die unter 1400 Meter Fels liegen. Dadurch sind sie vom Rest der Welt fast perfekt abgeschottet.

Bick ist auf den ungewöhnlichen Ort angewiesen, denn er ist hinter äußerst flüchtigen Elementarteilchen her: Neutrinos. Die Winzlinge reagieren so gut wie gar nicht mit Materie und lassen sich deshalb nur mit riesigen Spezialdetektoren aufschnappen. In einem oberirdischen Labor würde die allgegenwärtige Kosmische Strahlung die Experimente stören – weshalb Bick und seine Kollegen ihren Detektor tief in den Untergrund verlegt haben. Der Name des Großexperiments: Borexino. Zum einen sollen dabei Neutrinos aufgefangen werden, die von der Sonne kommen und dort per Kernfusion entstanden sind. Zum anderen wird nach Neutrinos gefahndet, die aus dem Inneren der Erde stammen. „Wir bezeichnen diese Teilchen als Geoneutrinos", sagt Livia Ludhova vom Italienischen Institut für Kernphysik in Mailand. „Sie werden in großer Zahl erzeugt, wenn Uran und Thorium, die es in beträchtlichen Mengen im Erdinneren gibt, radioaktiv zerfallen." Das Entscheidende: Bei diesen Zerfallsprozessen wird viel Wärme frei – und damit jene Energie, die Plattentektonik und Kontinentalverschiebung antreibt und als eigentliche Ursache hinter Erdbeben und Vulkanausbrüchen steckt.

Nur kleine Kratzer

Je genauer die Geowissenschaftler die Hitzewallungen unseres Planeten kennen, umso besser können sie sein Verhalten verstehen und seine Zukunft prognostizieren. „Dazu müssen wir möglichst präzise herausfinden, wie viel Uran und Thorium es im Erdmantel gibt und wie diese Elemente dort verteilt sind", sagt der Geologe Massimo Coltorti von der Universität Ferrara.

Das Problem dabei: Die gewöhnlichen Methoden der Geophysik versagen. Tiefenbohrungen reichen kaum weiter als zehn Kilometer. Im Erdball mit seinem Radius von mehr als 6000 Kilometern sind das nur kleine Kratzer. Auch andere Verfahren wie seismische Messungen oder die Analyse von Diamanten, die einst in großen Tiefen entstanden sind, liefern nur indirekte Indizien.

Die einzigen Kundschafter, die direkte Informationen aus dem Erdinneren übermitteln können, sind jene Neutrinos, die beim Zerfall von Uran und Thorium entstehen. Einmal freigesetzt, fliegen sie durch die Erde nach außen, als wäre unser Planet aus Luft. Ein Umstand, der es den Wissenschaftlern schwer macht, denn: „Wegen ihrer Flüchtigkeit sind Geoneutrinos äußerst schwer nachzuweisen", sagt Coltorti. „Dazu braucht es große und überaus komplexe Detektoren."

Die ersten Anzeichen, dass die Geister aus der Erde tatsächlich existieren, kamen dann auch von einem solchen komplexen Klotz: KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector). Dieser haushohe, kugelförmige Tank wurde in eine ehemalige Zinkmine in den japanischen Alpen eingebaut. Das Monstrum ist mit 1000 Tonnen Öl gefüllt, seine Innenwände sind mit 2000 Lichtsensoren gespickt.

Eigentlich soll der Detektor Neutrinos nachweisen, die bei der Kernspaltung in den umliegenden Kernkraftwerken entstehen. In der Tat entdeckte KamLAND 2003, dass sich ein Teil dieser Neutrinos auf dem Weg von den Reaktoren zum Detektor in andere Neutrinosorten verwandelte – ein für die Teilchenphysik zentraler Befund: Indem das Experiment die Verwandlungskünste detektierte, konnte es gleichzeitig bestätigen, dass Neutrinos Masse besitzen, auch wenn diese Masse unvorstellbar klein sein muss.

2005 stieß das KamLAND-Team dann auf etwas nicht minder Faszinierendes: Es fand Hinweise, dass dem Mega-Öltank 25 Neutrinos ins Netz gegangen waren, die offenbar aus dem Herzen unseres Planeten stammten. Das interessierte nicht nur Geowissenschaftler, sondern rief auch das Borexino-Team auf den Plan. Ursprünglich hatte es seinen Detektor in den italienischen Abruzzen installiert, um Neutrinos aus dem Sonneninneren aufzuschnappen und damit unbekannte Details über die Funktion unseres Muttersterns herauszufinden. Doch offenbar war die hochkomplexe Technik von Borexino auch in der Lage, Geoneutrinos aufzufangen und zu analysieren.

Wie aufwendig die Jagd nach den Erdteilchen ist, wird klar, als Daniel Bick die Halle C des Gran-Sasso-Untergrundlabors durchquert und den Borexino-Detektor ansteuert. Vor ihm erhebt sich ein Zylinder aus Stahl, hoch wie ein vierstöckiges Haus, im Durchmesser so groß wie der Anstoßkreis eines Fußballplatzes. In der Seitenwand sind mächtige runde Luken eingelassen, mit wuchtigen Muttern fest verschraubt. „Ich rate niemandem, diese Luken aufzumachen", meint Bick. „Sonst würde ihn eine Flut wegspülen – eine Katastrophe."

Denn Borexino ist randvoll mit diversen Flüssigkeiten, alles in allem sind es 3000 Tonnen: Außen eine Schicht aus destilliertem Wasser, dann eine aus Öl – beide Schichten schirmen Störeinflüsse von außen ab. Das Herzstück hängt, eingelassen in einen acht Meter großen Nylonballon, in der Mitte: der „ Szintillator". Es sind knapp 300 Tonnen eines speziellen hochreinen Mineralöls.

In diesem Öl können die Geoneutrinos seltene, aber charakteristische Spuren hinterlassen: Trifft eines der Geisterteilchen auf einen Wasserstoff-Kern im Öl, entstehen zwei andere Teilchen – ein Positron und ein Neutron. Das Positron zerstrahlt sofort und gibt einen schwachen Lichtblitz ab. Das Neutron zerstrahlt einen Wimpernschlag später und sendet ebenfalls Licht aus. Die Abfolge beider Lichtblitze wird von 2200 Sensoren beobachtet. Sie signalisieren, dass dem Detektor ein Geoneutrino ins Netz gegangen ist.

Lästige Myonen

Doch die Fahndung ist diffizil. Denn aus allen Richtungen kommen Störfeuer: Auch radioaktive Verunreinigungen im Tank können Lichtblitze im Öl erzeugen. Außerdem schaffen es gelegentlich doch ein paar Myonen – elektronenähnliche Elementarteilchen aus der kosmischen Höhenstrahlung –, durch die 1400 Meter Fels bis ins Untergrundlabor vorzudringen. Auch sie machen sich im Öltank durch Signale bemerkbar und führen die Physiker in die Irre, indem sie die Spuren von Geoneutrinos vortäuschen. Zum Teil lässt sich die Störstrahlung durch die äußeren Flüssigkeitsschichten des Detektors abschirmen. Den Rest müssen die Forscher nachträglich herausrechnen.

Im Kontrollraum, einem schlichten Bürocontainer direkt neben dem Stahltank, wirft Daniel Bick einen ersten Blick auf die Messwerte. Um zu prüfen, ob die Datennahme einwandfrei funktioniert, schaut er sich diverse Kontrollgrafiken an. Allein in den vergangenen sechs Stunden hat der Detektor rund 700 000 Lichtblitze registriert. Doch die wenigsten davon stammen von Neutrinos oder gar von Geoneutrinos, den Teilchen aus dem Erdinneren. Das meiste ist Störfeuer, verursacht durch radioradioaktive Verunreinigungen im Material oder durch vereinzelte Myonen aus der Kosmischen Strahlung.

Bick startet ein Programm, und der Rechner durchforstet die Daten nach den maßgeblichen Kenngrößen. Ein paar Minuten später ist er fertig, und der Physiker zeigt auf den Bildschirm. „Jetzt ploppen 19 Fenster auf, die ich mir ansehen muss." Im Schnelldurchgang prüft er die Fenster, nur bei manchen schaut er genauer hin – etwa bei der Rate der Myonen. Sie schwankt relativ stabil um den Wert 4000. „So wie es sein soll, alles gut!" Bick lehnt sich entspannt zurück, der Detektor läuft, die Systeme arbeiten zuverlässig.

Ein mühsames Geduldsspiel

Die Hauptarbeit aber steht dem Borexino-Team – 140 Experten aus sieben Ländern – noch bevor: Aus dem Datenwust müssen die Physiker die wenigen interessanten Ereignisse herausrechnen – ein mühsames Geduldsspiel. „Erst 2010 hatten wir genug Daten, um sie mit den KamLAND-Messungen kombinieren zu können", sagt Borexino-Mitglied Livia Ludhova. „Seitdem ist nachgewiesen, dass es Geoneutrinos gibt und dass wir mit ihnen ein einzigartiges Forschungswerkzeug in den Händen haben."

Die Resultate genügten, um ein neues Feld zu eröffnen: Immer mehr Teilchenphysiker und Geowissenschaftler bilden interdisziplinäre Teams und loten aus, was sie durch Geoneutrinos über das Erdinnere lernen können. Aus Sicht der Wissenschaftler ist unser Planet eine Zwiebel aus mehreren Schalen. Der Kern besteht höchstwahrscheinlich aus Eisen und ist bis zu 8000 Grad Celsius heiß. Ihn umgibt der aus schweren Mineralien zusammengesetzte Erdmantel mit Temperaturen von bis zu 2000 Grad. Die Erdkruste dagegen ist maximal 35 Kilometer dick und besteht aus leichtem Gesteinsmaterial.

Der Motor unseres Planeten steckt im Erdmantel. Dort bewegen sich gewaltige Ströme geschmolzenen Gesteins und verändern laufend das Antlitz der Erde: Wie gigantische Förderbänder verschieben sie langsam, aber beharrlich die Kontinente. In der Folge prallen Landmassen zusammen, Gebirge falten sich auf. Erdplatten reißen auseinander, Gräben öffnen sich im Ozean. Aber woher kommt die gewaltige Hitze, die all diese Prozesse antreibt?

„Wir schätzen, dass das Erdinnere rund 46 Terawatt an Hitzeleistung abstrahlt", sagt Bill McDonough, Geologe an der Universität Maryland. „Das entspricht der elektrischen Leistung von 50 000 Atommeilern." Von diesen 46 Terawatt dürfte nur etwa ein Sechstel aus der Erdkruste stammen, erzeugt durch den radioaktiven Zerfall der dort lagernden Uran- und Thorium-Vorkommen. Den großen Rest, rund 38 Terawatt, müssen Erdmantel und Kern liefern. Nur: Wie viel davon wird ebenfalls durch Kernzerfälle produziert? Und welcher Anteil geht auf jene Restwärme zurück, die von der turbulenten Geburt unseres Planeten übrig geblieben ist?

Bislang tappen die Geoforscher im Dunkeln. Die Annahmen über den Uran- und Thorium-Gehalt im Erdmantel schwanken erheblich – je nachdem, welche geowissenschaftliche Theorie man zu Grunde legt. „Manche Modelle gehen davon aus, dass bis zu 30 Tera- watt durch Radioaktivität erzeugt werden", erläutert McDonough. „ Andere nehmen an, dass es nur wenige Terawatt sind und dass der größte Teil der Hitze aus der Restwärme der Erdentstehung stammt."

Bei den Radioaktivitäts-Modellen erhitzt sich der mit Uran und Thorium gespickte Mantel vorwiegend selbst. Bei den Restwärme-Modellen wird er vor allem vom Erdkern geheizt. „ Geoneutrinos sind die einzigen Zeugen, die direkt und unmittelbar von diesen Prozessen berichten können", sagt McDonough. „Mit ihrer Hilfe werden wir hoffentlich entscheiden können, welches Geo-Modell richtig ist."

Erste Indizien haben die Geister aus der Erde bereits geliefert. Bislang konnte Borexino ganze 14 Geoneutrinos aufschnappen, KamLAND gut 100. „Das sind nicht gerade viele, und deshalb sind die Fehler bei den Messdaten noch relativ groß", gibt Livia Ludhova zu. „Trotzdem können wir schon interessante Schlüsse ziehen." So deuten die Messungen darauf hin, dass es nicht nur in der Erdkruste, sondern auch im Erdmantel beträchtliche Mengen an Uran und Thorium gibt.

Ihre Konzentrationen scheinen in derselben Größenordnung zu liegen wie jene, die man in Meteoriten gefunden hat. Das stärkt eine gängige Theorie, dass sich die Erde vor rund 4,5 Milliarden Jahren geformt hat – etwa zur gleichen Zeit wie viele andere Himmelskörper im Sonnensystem. Ludhova betont: „Man kann jetzt sagen: Die Erde hat sich aus demselben Material gebildet wie Meteoriten, die weit entfernt von ihr entstanden sind."

Außerdem stützen die Experimente die Vermutung, dass der Zerfall von Thorium und Uran nicht ausreicht, um den gesamten Hitzefluss im Erdinneren zu erklären. Die Restwärme aus den Tagen der Erdentstehung spielt offenbar eine wichtige Rolle. Um das Verhältnis genauer festzulegen, bedarf es allerdings deutlich mehr Messdaten. Mit Borexino und KamLAND gibt es nur zwei Experimente auf der Welt, die Geisterteilchen aus dem Erdinneren aufspüren können. Alle anderen Neutrinodetektoren sind auf diesem Auge blind. Für verlässliche Aussagen ist es nötig, mehr Detektoren zu bauen und sie rund um den Globus zu platzieren.

Neutrinofalle am Meeresgrund

Immerhin geht demnächst in Kanada mit „SNO+" ein neuer Detektor in Betrieb, der Geoneutrinos aufschnappen kann. „Er wird uns bessere Signale liefern", freut sich McDonough. „SNO+ misst ebenso präzise wie Borexino, ist aber fast dreimal so groß und wird deshalb deutlich mehr Geoneutrinos auffangen können."

Ein weiteres Gerät soll 2019 in China loslegen: JUNO, der mit einer Detektormasse von 20 000 Tonnen ungleich größer ist als alle bisherigen Detektoren – und ebenfalls für die Teilchen aus der Erde sensitiv ist. Allerdings dürfte er sie nicht ganz so präzise vermessen können. Denn es wird ihm schwerfallen, die Geoneutrinos von jenen Neutrinos zu trennen, die aus benachbarten Atommeilern auf ihn einprasseln.

Langfristig träumen die Experten von einer Neutrinofalle am Meeresgrund. „Am Ozeanboden ist die Erdkruste mit sechs bis acht Kilometern deutlich dünner als an Land, wo sie bis zu 30 Kilometer dick ist", erläutert Massimo Coltorti. „Mit einem Neutrinodetektor auf dem Meeresgrund ließe sich also viel leichter in den Erdmantel blicken."

Konkrete Pläne für einen solchen Meeresdetektor gibt es auf Hawaii. Er wird „Hanohano" heißen, nach dem hawaiianischen Wort für „würdig, herausragend". Ein bis zu 10 000 Tonnen fassender Mineralöl-Tank soll, durch Ankerketten gehalten, über dem Meeresgrund treiben. „Damit würden wir fast ausschließlich Neutrinos aus dem Erdmantel messen", sagt Bill McDonough. „Das wäre sehr aufregend, denn dann würde sich die Frage nach der Wärmeproduktion im Erdinneren recht gut beantworten lassen." Das Problem ist der Preis: 300 Millionen Dollar, so die Schätzungen, dürfte Hanohano kosten. Das ist ziemlich viel für die knappen Geldbeutel der Geowissenschaftler. Deshalb setzen sie auf eine Mehrfachverwertung des Detektors – und wollen dafür ungewöhnliche Allianzen schmieden.

Zwar könnten die Teilchenphysiker den Klotz nutzen, um bestimmte Eigenschaften des Neutrinos genauer zu vermessen als bisher. Aber auch die Geheimdienste zeigen lebhaftes Interesse an der Detektortechnik. Im Prinzip nämlich taugt sie dazu, Neutrinos aus Kernreaktoren zu analysieren – und dadurch festzustellen, ob irgendein Schurkenstaat heimlich versucht, Waffenplutonium zu brüten. „Aus diesem Grund hat der US-Geheimdienst die Planungen von Hanohano mit über einer Million Dollar unterstützt", berichtet McDonough.

Läuft alles nach Plan, lässt sich das Erdinnere künftig mit einem regelrechten Detektor-Netzwerk belauschen. Damit könnten die Geoforscher eine zentrale Frage beantworten: Wo im Erdball entsteht wie viel Wärme, verursacht durch den radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium? Und wie wirken sich diese Hitzewallungen auf die Kontinentalverschiebung aus, auf Vulkanismus und auf Erdbeben? „Ich bin überzeugt, dass wir diese Fragen mithilfe der Geoneutrinos angehen können", sagt Bill McDonough. „Das Potenzial dazu haben sie." •

von Frank Grotelüschen

Mehr zum Thema

Lesen

Die spannenden Experimente, Erkenntnisse, Geschichten, Rätsel und Ziele der Neutrinoforschung: Heinrich Päs DIE PERFEKTE WELLE Piper, München 2011, € 19,99

Christine Sutton RAUMSCHIFF NEUTRINO Birkhäuser, Basel 1994, € 49,99

Rüdiger Vaas TUNNEL DURCH RAUM UND ZEIT Kosmos, Stuttgart 2013 (6. Auflage), € 9,99

Internet

Viele Informationen zu den Neutrinodetektoren:

IceCUBE: icecube.wisc.edu

Borexino: borex.lngs.infn.it

GERDA: www.mpi-hd.mpg.de/gerda

Ein-Tonnen-Germanium-Detektor: www.mpp.mpg.de/forschung/experimental/gedet/index.html

KamLAND: kamland.stanford.edu/GeoNeutrinos/geoNeutrinos.html

Daya Bay: dayabay.ihep.ac.cn/twiki/bin/view/Public

JUNO: english.ihep.cas.cn/rs/fs/juno0815

Jinping Untergrundlabor: arxiv.org/abs/1404.2651

Hanohano: www.phys.hawaii.edu/~jgl/hanohano.html

Kompakt:

· „Geoneutrinos" entstehen im Erdinneren durch den radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium.

· Geowissenschaftlern können sie verraten, was das Innere unseres Planeten aufheizt.

· Zwei Detektoren haben erste Erkenntnisse geliefert. Nun planen Forscher ein weltumspannendes Messnetz.

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