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).^[1] 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 (Projektleiter war Till Kirsten).

Ziel des Experiments war der Nachweis der solaren Neutrinos und damit die Prüfung von Theorien zu den Energieerzeugungsmechanismen der Sonne. Zuvor hatte es keine Beobachtungen niedrigenergetischer solarer Neutrinos gegeben.

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.

Der 54 m³ fassende Detektortank war mit 101 Tonnen einer Galliumtrichlorid-Salzsäure Lösung gefüllt. Diese enthielt 30,3 Tonnen Gallium^[1], damals fast eine Weltjahresproduktion und nach dem SAGE-Detektor wahrscheinlich die größte Menge Gallium, die je verwendet wurde. Das Gallium in der Lösung diente als Target für eine neutrino-induzierte Kernreaktion (Neutrinoeinfang oder inverser Betazerfall). Dadurch wird das Gallium in Germanium durch folgende Reaktion umgewandelt:

${\displaystyle \nu _{e}+\mathrm {^{71}Ga} \longrightarrow \mathrm {^{71}Ge^{+}} +e^{-}}$

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 Detektor-Reaktionen haben höhere Schwellenwerte, so zum Beispiel das Homestake-Experiment mit 813 keV durch den Nachweis von ³⁷Argon. Mit dem Nachweis von ⁷¹Ge können auch Neutrinos aus der primären Proton-Proton-Reaktion der Sonne mit einer maximalen Energie von 420 keV detektiert werden.

Das entstandene ⁷¹Ge wurde chemisch aus dem Detektor extrahiert und in gasförmiges Monogerman (⁷¹GeH₄) umgewandelt. Der Zerfall der ⁷¹Ge-Atome mit einer Halbwertzeit von 11,43 Tagen wurde mit Proportionalzählern nachgewiesen. Jeder nachgewiesene Zerfall entspricht einem eingefangenen Neutrino.

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 etwa 0,75 Zerfällen pro Tag entspricht. Diese Rate war geringer als erwartet und ist nur durch einen Beitrag von pp-Neutrinos oder ein Defizit durch Neutrinooszillation erklärbar.

Das wichtigste Resultat war der statistisch signifikante Nachweis einer geringeren Anzahl Neutrinos, als es das solare 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 Homestake-Experiment gekommen: das schon seit vielen Jahren bekannte solare Neutrinoproblem.

Diese Diskrepanz wird inzwischen dadurch erklärt, dass Neutrinos im Gegensatz zur bisher gültigen Standardtheorie „oszillieren“, d. h. sich von einer Neutrinoart in eine andere umwandeln können. Radiochemische Neutrinodetektoren reagieren aber nur auf die Neutrinoart Elektronneutrino, nicht auf den zweiten und dritten Neutrino-Flavour. Die Neutrinooszillation der in der Sonne entstandenen Elektronneutrinos auf dem Weg zur Erde ist für die Diskrepanz verantwortlich.

Das Nachfolgeexperiment von GALLEX war das Gallium Neutrino Observatorium oder G.N.O., welche vom LNGS im April 1998 begann und bis zum Jahr 2003 fortgeführt wurde.^[1]

Ein ähnliches Experiment, welches metallisches Gallium verwendete, ist das Russisch-Amerikanische Gallium-Experiment SAGE.

• The GALLEX / GNO Experiments

1. ↑ ^{a b c} Wolfgang Hampel: Der Beitrag des GALLEX-GNO-Experiments zur Lösung des Sonnenneutrino-Problems. (pdf) In: MPG Tätigkeitsbericht 2004. mpg, 10. November 2004, abgerufen am 26. Februar 2010 (deutsch). 

42.42056613.516424Koordinaten: 42° 25′ 14″ N, 13° 30′ 59,1″ O