Hoe XENONnT de lichtste zonneneutrino’s ooit rechtstreeks waarnam

Een experiment dat werd gebouwd om donkere materie te vinden, kijkt nu ook diep in het binnenste van de zon. De XENON-samenwerking maakte bij de Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italië bekend dat XENONnT voor het eerst laagenergetische zonneneutrino’s heeft waargenomen die op elektronen verstrooien. Daarmee wordt de directe observatiegrens verlegd naar neutrino-energieën van ongeveer 17 keV — het laagste gerapporteerde energiedrempelniveau voor neutrino’s. Het gemeten signaal wordt vooral bepaald door pp-neutrino’s. 22

Een neutrino laat slechts een minieme terugslag achter

Neutrino’s reageren maar uiterst zelden met materie. Wanneer een zonneneutrino toch elastisch botst met een elektron in het vloeibare xenon, geeft het een klein deel van zijn energie door. Die botsing levert twee signalen op:

• een onmiddellijk lichtsignaal uit het vloeibare xenon;
• een tweede signaal van elektroluminescentie wanneer vrijgemaakte elektronen naar de gasfase worden getrokken.

Door beide signalen te combineren kunnen onderzoekers de energie en de positie van elk gemeten voorval reconstrueren. Ze hoeven dus niet één afzonderlijke ‘neutrinoklap’ aan te wijzen. In plaats daarvan zoeken ze naar het statistische patroon dat een groot aantal elektronische terugslagen samen oplevert en vergelijken ze dat met radioactieve en instrumentele achtergronden.

De grens van ongeveer 17 keV verwijst naar de energie van de neutrino’s die in deze analyse toegankelijk werden, niet naar een hoeveelheid energie die elk neutrino rechtstreeks aan een elektron overdraagt. Volgens de beschikbare aankondiging gaat het om de eerste waarneming van laagenergetische zonneneutrino’s, met een signaal dat voornamelijk uit pp-neutrino’s bestaat. 22

Wat zijn pp-neutrino’s?

pp-neutrino’s ontstaan bij de eerste stap van de proton-protonketen in de zon:

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

Bij deze reactie begint de reeks kernfusieprocessen waarin waterstof geleidelijk in helium wordt omgezet. Omdat de proton-protonketen de belangrijkste energiebron van de zon is, zijn pp-neutrino’s directe boodschappers van de fusie in de zonne-kern.

Dat maakt ze bijzonder waardevol. Licht heeft lange tijd nodig om energie vanuit de kern naar het zonneoppervlak te transporteren. Neutrino’s ontsnappen daarentegen vrijwel onmiddellijk uit het gebied waar ze ontstaan. Een meting van de pp-component biedt daardoor een directere controle van de kernfusie die de zon laat stralen.

Waarom XENONnT zo’n zwak signaal kon zien

In het hart van XENONnT bevindt zich een tweetraps-tijdprojectiekamer met een actieve hoeveelheid van 5,9 ton vloeibaar xenon. De grote massa vergroot de kans op zeldzame interacties. Tegelijkertijd leveren scintillatielicht en ionisatie informatie over de energie en positie van elk voorval. 5

De grootste uitdaging is niet alleen dat neutrino-interacties zeldzaam zijn, maar ook dat de detector extreem weinig achtergrond moet bevatten. Radon en zijn vervalproducten kunnen bètaverval veroorzaken dat lijkt op de elektronische terugslagen van neutrino-elektronverstrooiing.

Daarom gebruikt de samenwerking online cryogene destillatie: een proces dat het radon voortdurend uit het xenon verwijdert. De activiteit van (^{222}\mathrm{Rn}) in het actieve doelvolume werd teruggebracht tot ongeveer (0,90\ \mu\mathrm{Bq/kg}). Daarmee kwam de radonachtergrond op een niveau dat vergelijkbaar is met de onvermijdelijke achtergrond van zonneneutrino’s. 1819

De opstelling bevindt zich bovendien diep onder de Gran Sasso-berg, ongeveer 1.400 meter onder de grond. Die locatie vermindert het aantal gebeurtenissen dat door kosmische straling wordt veroorzaakt. In zo’n stille omgeving kunnen onderzoekers het energiespectrum statistisch aanpassen aan verschillende modellen, in plaats van een klein neutrinosignaal te moeten zoeken tussen een veel grotere hoeveelheid storende gebeurtenissen. 22

Een ander soort meting dan de boor-8-aanwijzing uit 2024

De nieuwe analyse gebruikt een ander interactiekanaal dan de XENONnT-aankondiging uit 2024. Toen zocht het experiment naar boor-8-neutrino’s via coherent elastische neutrino-kernverstrooiing, meestal afgekort als CEνNS. Daarbij geeft een neutrino een terugslag aan de kern van een xenonatoom. De analyse leverde een aanwijzing op van 2,73σ — geen ontdekking op het niveau van 5σ. 23

De nieuwe meting draait juist om neutrino-elektronverstrooiing. Daardoor kan dezelfde detector twee verschillende handtekeningen van zonneneutrino’s vastleggen:

• elektronische terugslagen door botsingen met elektronen, waarbij laagenergetische pp-neutrino’s domineren;
• kernterugslagen door CEνNS, zoals bij de aanwijzing voor boor-8-neutrino’s.

Dat onderscheid is belangrijk: elk kanaal opent een ander deel van het energiespectrum en vertelt iets anders over de fysica van de zon.

De ‘neutrinonevel’ als nieuwe grens voor donkere materie

Voor experimenten die op donkere materie jagen zijn zonneneutrino’s tegelijk nuttig en hinderlijk. Ze vormen een echt, meetbaar natuurkundig signaal, maar hun terugslagen kunnen lijken op de interacties die van WIMPs — hypothetische, zwak wisselwerkende donkere-materiedeeltjes — worden verwacht.

Met gewone afscherming zijn neutrino’s niet weg te krijgen: ze gaan vrijwel ongehinderd door materie heen. Dit onvermijdelijke achtergrondsignaal wordt vaak de ‘neutrinonevel’ genoemd. Het is geen absoluut, ondoordringbaar plafond. De vorm van het energiespectrum, vergelijkingen tussen verschillende doelmaterialen, richtingsinformatie en nauwkeurigere kennis van zonneneutrinostromen kunnen helpen om een WIMP-signaal statistisch te onderscheiden.

Toch wordt die scheiding steeds moeilijker naarmate detectoren gevoeliger worden. De verbeteringen verlopen dan trager en systematische onzekerheden wegen zwaarder. De eerdere CEνNS-aanwijzing van XENONnT was een van de eerste directe voorbeelden van deze kernachtergrond in een detector voor donkere materie. 12

XLZD: ongeveer tien keer meer xenon

De geplande XLZD-detector moet de volgende generatie van vloeibare-xenonobservatoria worden. Het ontwerp voorziet in een actief doelvolume van ongeveer 60 ton, met de mogelijkheid om dat uit te breiden tot 80 ton. Dat is ruwweg een orde van grootte meer actief xenon dan XENONnT. 3235

Meer massa betekent niet alleen meer gebeurtenissen. XLZD zou ook een nauwkeurigere meting mogelijk maken van de flux en het energiespectrum van pp-neutrino’s. Daarnaast kan het experiment de overlevingskans van elektronneutrino’s onderzoeken terwijl die van de zon naar de aarde reizen.

Tegelijkertijd is XLZD ontworpen om het gebied te verkennen waarin WIMP-interacties steeds dichter bij de achtergrond van de neutrinonevel komen. 3239

De belangrijkste les van XENONnT is dan ook dat de zoektocht naar donkere materie en zonneneutrino-astronomie niet langer los van elkaar staan. Dezelfde uitzonderlijke zuiverheid, lage ruis en gevoelige detectietechniek die nodig zijn om een zeldzame WIMP-interactie te vinden, kunnen ook de bijna onzichtbare sporen van kernfusie in de zon aan het licht brengen.