Das Neutrino-Experiment namens SNO+ befindet sich tief im kanadischen Snolab-Creighton-Bergwerk unter . Das Herzstück der in 2 Kilometern Tiefe gelegenen Anlage ist eine 12 Meter große Acrylkugel, die von fast 10.000 empfindlichen Fotodetektoren umgeben ist, welche die Lichtblitze der 780 Tonnen flüssigen Szintillators im Inneren der Kugel erfassen, wenn hochenergetische Teilchen diese durchqueren. Das Wasser, das das System umgibt, und das darüber liegende Gestein schirmen den Detektor vor kosmischer Strahlung ab, sodass auch seltener auftretende Teilchenwechselwirkungen erfasst werden können.
Das Experiment erfordert absolute Dunkelheit, auch jenseits des Spektrums des sichtbaren Lichts. Wenn jemand in den Hauptschacht hinabsteigt und durch den felsigen Tunnel zum Labor geht, lagert sich eine geringe Menge radioaktiven Radonstaubs auf seinem Körper und seiner Kleidung ab, deshalb muss man, bevor man den Hauptraum des Labors betritt, duschen und sich umziehen, um die eingeschleppte Verunreinigung auf ein Minimum zu reduzieren.
Solche extremen Maßnahmen sind notwendig, um Geisterteilchen einzufangen, die dabei helfen können, die Geheimnisse der unzugänglichen Regionen im Erdinneren zu lüften.
Radioaktiver Planet
Neutrinos sind die am häufigsten vorkommenden Teilchen, doch ihre Masse ist sehr gering: Sie beträgt lediglich ein Millionstel der Masse eines Elektrons. Aufgrund ihrer geringen Masse und ihrer elektromagnetischen Neutralität treten diese Teilchen so gut wie nie mit anderer Materie in Wechselwirkung. Pro Sekunde durchqueren Billionen von ihnen unseren Körper, doch konnten die Forscher in den letzten Jahren mithilfe von SNO+ und ähnlichen Detektoren nur einige hunderttausend wertvolle Signale nachweisen, die auf die Existenz dieser Teilchen hinweisen. Die meisten davon waren Neutrinos, die von der Sonne stammten.
Noch schwieriger zu nachweisen sind Geoneutrinos, von denen über mehrere Jahrzehnte hinweg nur einige Hundert detektiert wurden. Geoneutrinos entstehen bei Prozessen, die das Innere des Planeten erwärmen. Diese Wärme spielt eine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der Gesteinsströmungen im Mantel, die vieles beeinflussen – von der Plattentektonik bis hin zum Erdmagnetfeld. Sie stammt aus zwei Hauptquellen: aus der bei der Entstehung des Planeten zurückgebliebenen Wärme sowie aus der Wärme, die beim Zerfall von Uran, Thorium und Kalium in den Gesteinen des Mantels und der Kruste entsteht. Ohne diese zweite Quelle wäre die Erde längst abgekühlt und ein tektonisch toter Planet.
Durch die Zählung von Geoneutrinos können Physiker direkte Informationen über die lebenswichtigen, wärmeerzeugenden Elemente der Erde gewinnen. „Das ist das Einzige, was wir mit Fokus auf die Erde tun. Alle unsere anderen Aktivitäten konzentrieren sich eher auf das, was aus anderen Regionen des Universums zu uns gelangt“, sagte Ryan Bayes, Teilchenastrophysiker an der Queen’s University, der am SNO+-Projekt arbeitet.
Die erste Entdeckung von Geoneutrinos geht auf den japanischen Detektor namens Kamland zurück und wurde 2005 veröffentlicht. Im Jahr 2009 detektierte der italienische Borexino-Detektor mehrere Dutzend weitere Geoneutrinos. Die SNO+-Forscher gaben im November 2025 die ersten erfolgreichen Detektionen bekannt und erhöhten damit die Zahl der beobachteten Geoneutrinos um etwa 50.
Das Besondere an den SNO+-Beobachtungen ist der Standort des Experiments: Es handelt sich um die ersten Geoneutrinos, die auf der westlichen Hemisphäre nachgewiesen wurden, wodurch sie neue Einblicke in das radioaktive Innere der Erde bieten.
Bei der Interpretation der Versuchsergebnisse bestehen weiterhin erhebliche Unsicherheiten, doch nach den besten Schätzungen der Forscher misst jeder Detektor einen unterschiedlichen Fluss. „Dies könnte ein erstes Anzeichen dafür sein, dass der Mantel nicht homogen ist“, sagte Mark Chen, Teilchenastrophysiker an der Queen’s University und Leiter der SNO+-Kollaboration. Geochemiker gingen traditionell davon aus, dass radioaktive Elemente gleichmäßig im Mantel verteilt sind, da sich im flüssigen Gestein alles vermischt. Geoneutrino-Messungen an verschiedenen Standorten deuten jedoch darauf hin, dass dies nicht der Fall ist.
Die Regionen, die offenbar die meisten Geoneutrinos erzeugen, befinden sich über etwa kontinentgroßen Flecken aus extrem heißem und dichtem Material, die als große Bereiche mit niedriger Schergeschwindigkeit (LLSVP) bezeichnet werden und von Seismologen auf beiden Seiten des Kerns kartiert wurden. Eine davon befindet sich unter Afrika, die andere unter dem Pazifik.
„Möglicherweise gibt es im Mantel tiefe Strukturen, die wir noch nicht kennen, und möglicherweise konzentrieren diese bestimmte Elemente“
– sagt Chen.
Neutrinos könnten eines Tages neue Einblicke in den nach wie vor rätselhaften Ursprung dieser tiefen Strukturen und, im weiteren Sinne, in die Muster im Erdmantel liefern, die zahlreiche Aspekte des Systems Erde bestimmen. „Dies könnte tatsächlich eine wichtige Methode sein, um eine chemische Karte des Erdinneren zu erstellen“, sagte William McDonough, Geochemiker an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der seit langem eine führende Rolle in der Geoneutrino-Forschung spielt.
Die Detektion von Geoneutrinos
Es ist noch offen, ob die Geoneutrino-Messungen tatsächlich Unterschiede zwischen den unter den Experimenten liegenden Mantelbereichen aufdecken oder ob das Ungleichgewicht darauf zurückzuführen ist, dass die verschiedenen Experimente die Geoneutrinos unterschiedlich berechnen. Die Forscher betonen einhellig, dass die Unsicherheit noch immer so groß ist, dass sich dies nicht sagen lässt.
„Wenn wir uns auf den Anschein stützen, könnten wir sagen, dass es auf der westlichen Hemisphäre vielleicht viel mehr radioaktives Material gibt als auf der östlichen“, sagte McDonough. Doch aus zahlreichen Gründen muss man diese Schätzungen mit Vorsicht betrachten. „Haben die Italiener recht? Oder die Japaner? Oder alle? Oder stimmt vielleicht etwas nicht?“, fährt der Experte fort. Die Unsicherheiten hinsichtlich der Ergebnisse der einzelnen Detektoren ergeben sich aus dem Filterprozess, den die Physiker zur Identifizierung der Geoneutrinos durchführen – erklärte Bayes. Denn die Teilchen geben sich bei der Detektion leider nicht zu erkennen, so der Experte.
Die Forscher müssen die Signale von Teilchen mit zu hoher Energie, von Teilchen mit falschen Spinwerten sowie von Teilchen, von denen sie annehmen, dass sie aus Kernkraftwerken stammen, herausfiltern. Außerdem müssen sie die aus der Erdkruste kommenden Geoneutrinos herausfiltern, von denen die meisten aus einem Umkreis von einigen hundert Kilometern um den Detektor stammen. Wenn man diese von der Gesamtzahl abzieht, sollten nur noch die Geoneutrino-Signale übrig bleiben, die aus dem Erdmantel kommen.
Generell lässt sich sagen, dass der Geoneutrino-Fluss aus dem Mantel bei Borexino sehr hoch und bei Kamland sehr niedrig zu sein scheint, wenngleich die Unsicherheiten groß sind. Die detaillierte geologische Interpretation der SNO+-Ergebnisse sei noch im Gange, sagt Chen, doch bislang sehen die Experten unter Kanada eine „eher durchschnittliche“ Erdkruste.
Eine besondere Herausforderung für die SNO+-Forscher stellt das Verständnis der Neutrinos dar, die aus der Umgebung des Detektors kommen, darunter auch aus einem Becken, das durch einen gewaltigen Einschlag vor 1,8 Milliarden Jahren entstanden ist. „Es gibt viele unbekannte Faktoren in diesem geologischen Gebiet“, sagte Virginia Strati, Forscherin an der Universität Ferrara in Italien, die an der Entwicklung eines Modells der lokalen Radioaktivität für Snolab mitgewirkt hat.
Die Unsicherheit rührt auch daher, dass wir die Gesamtmenge der radioaktiven Stoffe, die den Erdmantel erwärmen, nicht genau kennen. Basierend auf dem Geoneutrino-Fluss machen diese Elemente nur einen kleinen Prozentsatz der Wärmeentwicklung aus, könnten aber auch bis zur Hälfte davon ausmachen – diese Abweichung entspricht der Leistung von mehreren Zehntausend Kernkraftwerken.
Beide Unsicherheitsquellen erschweren es zusätzlich, Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung einzelner Teile des Mantels nachzuweisen. Der aufgrund der unterschiedlichen Verteilungen der radioaktiven Elemente zu erwartende Unterschied im Geoneutrinofluss ist sehr gering und geht in diesen Unsicherheiten unter, sagt Strati.
im Fluss
Die von SNO+ durchgeführten Messungen kommen zu einem spannenden Zeitpunkt für die Geoneutrino-Forschung: JUNO, ein weiteres riesiges Neutrino-Experiment, das derzeit in China Daten sammelt, wird voraussichtlich noch in diesem Jahr seinen ersten Geoneutrino-Flux liefern und damit eine vierte Perspektive sowie ein deutlich umfassenderes Bild für die Forschung bieten.
Das mit mehr als 20.000 Tonnen Szintillatoren ausgestattete Experiment, das außerhalb der Stadt Guangzhou unter einem Berg installiert wurde, ist so groß, dass es voraussichtlich bereits im ersten Jahr mehr Geoneutrinos nachweisen wird, als Kamland, Borexino und SNO+ zusammen in den vergangenen Jahrzehnten erfasst haben.
Genauere Schätzungen des bei den einzelnen Experimenten gemessenen Geoneutrino-Flusses könnten sich aus detaillierteren geologischen Daten sowie aus zusätzlichen Geoneutrino-Zählungen an den jeweiligen Standorten ergeben. Laut McDonough wäre es jedoch die beste Lösung, einen Neutrino-Detektor auf dem Meeresboden zu installieren. Eine solche Anlage wäre weit entfernt von den an radioaktiven Elementen reichen kontinentalen Gesteinen, außerdem ist die ozeanische Kruste dünner und gleichmäßiger. Die Unsicherheiten hinsichtlich der Kruste würden dadurch erheblich verringert.
Die Idee eines Detektors auf dem Meeresboden, dessen Kosten auf mehrere hundert Millionen Dollar geschätzt werden, stieß bisher bei staatlichen Geldgebern kaum auf Resonanz. McDonough hofft nun, dass es ihm in China gelingen wird, das Projekt zu verwirklichen, da das Land bereits anderen großen geowissenschaftlichen Projekten grünes Licht gegeben hat.
