Ein Leichtgewicht, das schwer zu fassen ist

Das Neutrinoobservatorium JUNO in Südchina soll dem reaktionsträgen Elementarteilchen Informationen über seine bisher unbekannte Masse entlocken.

Ein Mitarbeiter überprüft die Kugel aus Acrylglas. — Ein Mitarbeiter überprüft die Kugel aus Acrylglas kurz vor Inbetriebnahme. Seit August 2025 fängt der Detektor in Südchina Neutrinos.

Der Detektor hat einen Durchmesser von 35 Metern.

Die vier Minuten lange Fahrt mit dem Aufzug, der bei der Reise in 700 Meter Tiefe eigentlich Hinabzug heißen müsste, führt in eine riesige Höhle unter dicken Schichten Granitgesteins. Je weiter man ins Innere der unterirdischen Anlage vordringt, desto reiner werden die Bedingungen – Schutzkleidung mit Kopfhaube und Schuhüberziehern soll die Konzentration der Staubteilchen so gering wie möglich halten. Mittendrin befindet sich eine Kugel aus Acrylglas, die im Durchmesser 35 Meter misst und eine klare Flüssigkeit enthält. Sie ist dicht an dicht mit Tausenden von kupferfarben glänzenden Glubschaugen besetzt und von einem riesigen Wasserbecken umgeben.

Gedanklich befinden wir uns in Jiangmen in der südchinesischen Provinz Guangdong, im Neutrinoobservatorium JUNO, dem Jiangmen Underground Neutrino Observatory. Natürlich ist es in der Tiefe stockdunkel. Für das hoffnungsvoll erwartete Licht sorgt das Auftreffen eines Neutrinos auf die besondere Flüssigkeit in der Kugel: Wenn ein solches elektrisch neutrales Elementarteilchen ausnahmsweise mit dem enthaltenen Szintillatormaterial wechselwirkt, das durch Anstoß Licht aussenden kann, wird ein Lichtquant frei. Das verstärken die glubschäugigen Photomultiplier auf der Kugel in den messbaren Bereich. Ein kurz verzögert freigesetztes Gammaquant bestätigt, dass der Lichtblitz durch ein Neutrino ausgelöst wurde. Seit die Messungen im JUNO im August 2025 begonnen haben, passiert das etwa 50-mal am Tag.

Neutrinos sind die Elementarteilchen, über die wir am wenigsten wissen.

Prof. Tobias Lachenmaier

„Neutrinos sind die Elementarteilchen, über die wir am wenigsten wissen. Sie sind die einzigen, bei denen wir die Masse nicht kennen“, sagt Professor Tobias Lachenmaier vom Physikalischen Institut der Uni Tübingen, dessen angeregter Bericht sein neu bezogenes, karges Büro schnell vergessen lässt. „Dass sie überhaupt eine Masse haben, ist erst seit der letzten Jahrhundertwende bekannt. Sie reagieren nicht auf elektromagnetische Felder und kaum auf Materieansammlungen, daher müssen wir einen solch immensen Aufwand für die Messungen betreiben.“ Neutrinos treten in drei verschiedenen Arten auf – im Englischen auch als Geschmacksrichtungen bezeichnet –, die sich in der sogenannten Oszillation ineinander umwandeln können: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Es gibt drei verschiedene Zustände mit unterschiedlichen, voneinander abgrenzbaren Massen, in der Forschung spricht man auch von einer Massenhierarchie. Die Anordnung der Massen sollen in JUNO über präzise energetische Analysen der Neutrino-Oszillationen über einen Zeitraum von sechs Jahren erhoben werden.¹

Dieser Zwischenraum ist mittlerweile mit ultrareinem Wasser gefüllt, die Acrylkugel oben mit einer spezielle Szintillatorflüssigkeit. Ein Neutrino kann beim Durchströmen ein Lichtquant freisetzen, das dann durch die Photomultiplier verstärkt und gemessen werden kann.

Neutrinos entstehen aus einem Zerfall radioaktiver Elemente. Sie haben eine Reihe von natürlichen Quellen wie das Weltall, die Sonne, die Erdatmosphäre oder Gesteine im Erdinneren und werden nach ihrem Entstehungsort als kosmische, solare, atmosphärische und Geo-Neutrinos unterschieden. Durch ihre geringe Reaktionsfreudigkeit sind Neutrinos äußerst langlebig. Sie strömen frei durchs Universum und können zum Beispiel die ganze Erde unverändert durchdringen. „Es sind bis heute noch Neutrinos aus dem Urknall vorhanden, dem Beginn des Universums vor mehr als 13 Milliarden Jahren“, sagt Lachenmaier. Für das JUNO-Projekt wollte man sich jedoch nicht auf das niedrige Grundrauschen der natürlichen Neutrinoquellen beschränken. „Der Standort in Jiangmen ist extra so gewählt: In etwa 50 Kilometern Entfernung liegen zwei Kernkraftanlagen, wodurch JUNO besonders viele Reaktorneutrinos durchströmen“, berichtet Lachenmaier.

Der weltweit größte Neutrinodetektor. — Der weltweit größte Neutrinodetektor benötigte zehn Jahre Bauzeit.

Die Erwartungen an JUNO wurden von Anfang an übertroffen.

Die Tübinger waren von Anfang an beim JUNO-Experiment dabei. An der internationalen Kollaboration, die vom Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitet wird, sind mehr als 700 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 74 Institutionen in 17 Ländern und Regionen beteiligt. Nach rund zehn Jahren Bauzeit konnte JUNO als der weltweit größte und hochpräzise Neutrino-Detektor der neuesten Generation in Betrieb genommen werden. „China übernimmt bei JUNO den Großteil der Führung und Finanzierung, es ist ein Prestigeobjekt der Grundlagenforschung. Rund 40 Prozent der Personen in der Kollaboration sind nicht chinesisch, und etliche chinesische Forscherinnen und Forscher haben Arbeitserfahrungen in Ländern der westlichen Welt“, sagt Lachenmaier, der die Zusammenarbeit auf der wissenschaftlichen Ebene als offen und produktiv empfindet. Sicherlich könne man sich in einer großen Kollaboration als kleines Rädchen fühlen, meint er. Doch muss alles ineinandergreifen – und kein Rädchen darf fehlen. So stammt das Messequipment für die 17.000 Photomultiplier für die Konstruktion von JUNO aus Tübingen. Vier optische Labors wurden nach der Lieferung per Schiff nach China dort in einer Fabrikhalle aufgebaut und jeder einzelne Photomultiplier über Fernmessung vom Tübinger Labor aus qualitätsgeprüft. „Mit den besten wurde die Kugel ausgestattet, die etwas weniger guten kamen in die Außenbereiche“, so der Wissenschaftler.

Ein Photomultiplier wie die 17.000 im JUNO Detektor: Das Tübinger Labor übernahm die Qualitätsprüfung per Fernmessung.

In die JUNO-Acrylglaskugel wurde zunächst superreines Wasser gefüllt, bevor die spezielle Szintillatorflüssigkeit hineinkam, das habe einige Monate gedauert. „Es war ein großer Moment, als die Anlage bereits bei niedrigem Füllstand mit den Messungen begann“, berichtet Lachenmaier. Schließlich seien theoretische Berechnungen und Tests das eine, die praktische Umsetzung aber etwas anderes. „Die Erwartungen an JUNO wurden von Anfang an übertroffen“, setzt er hinzu.

Lachenmaier und sein Team nutzen die aufwendige Anlage auch, um Myonen zu erkennen, da diese ein Störsignal für die eigentlichen Messungen darstellen. Diese Elementarteilchen entstehen beim Eintritt von Teilchenstrahlung aus dem All in die Erdatmosphäre. Im Wasser bewegen sich Myonen schneller als das Licht und erzeugen blaues Tscherenkow-Licht, das im Umgebungsbecken von JUNO über dort ebenfalls angebrachte Photomultiplier gemessen werden kann.

Die Anlage von außen in den chinesischen Bergen. — Ein guter Standort: Im Umkreis von 53 Kilometern um JUNO in Jiangmen, Südchina, liegen zwei Atomkraftwerke und setzen Neutrinos frei.

JUNO ist auf eine Laufzeit von 30 Jahren ausgelegt. In dieser Zeit sollte das Observatorium jederzeit einsatzbereit sein. Denn Lachenmaier hofft, so viel Glück zu entwickeln wie die Astronomen Tycho Brahe 1572 und Johannes Kepler 1604: die Beobachtung einer Supernova. „Zuletzt gab es eine 1987 in der Großen Magellanschen Wolke. Wenn ein besonders massereicher Stern am Ende seines Lebens nicht mehr stabil ist, explodiert er in einer Supernova. Geschieht dies in der Milchstraße, würde ein Strom von einigen Trillionen Neutrinos auf JUNO herunterregnen“, sagt der Wissenschaftler, dessen Augen schon bei dem Gedanken zu leuchten beginnen. Etwa 10.000 davon würden ein Signal im Detektor auslösen. In zehn Sekunden wäre alles vorbei. Doch bis der Helligkeitsausbruch einer Supernova optisch zu entdecken sei, vergehe noch genug Zeit, um Himmelsbeobachter weltweit vorzuwarnen.

Prorektorin Monique Scheer

Heikle Frage

Sollten deutsche Unis in China noch Kooperationen haben? Antworten hat Monique Scheer, Prorektorin Internationales und Diversität der Universität Tübingen.

Sind Forschungsprojekte in der Volksrepublik China heute noch vertretbar?

Die Universität Tübingen pflegt seit vielen Jahren ein produktives Verhältnis zu Forschenden und Partnerinstitutionen in der Volksrepublik China – dazu zählt auch JUNO. Spitzenforschung kann nur mit internationalen Partnern gelingen, und stabile wissenschaftliche Kontakte tragen als Science-Diplomacy zu einer Aufrechterhaltung internationaler Beziehungen in schwierigen Zeiten bei. Selbstverständlich prüfen wir und stellen bei jedem Projekt sorgfältig sicher, dass eine militärische oder sicherheitsrelevante Nutzung ausgeschlossen bleibt.

Wie findet so eine Prüfung an der Universität Tübingen statt?

An der Universität Tübingen durchlaufen alle Forschungsprojekte vor Vertragsabschluss eine strukturierte Prüfung anhand einer detaillierten Checkliste. Diese orientiert sich an den Empfehlungen und Leitlinien der Hochschulrektorenkonferenz sowie des DAAD und dient als praxisnahes Instrument zur Bewertung sicherheitsrelevanter oder ethischer Risiken. So wird eine solide und gut begründete Entscheidungsgrundlage gewährleistet.

Bei JUNO geht es um Atomphysik – könnten die Ergebnisse für das chinesische Militär nicht interessant sein?

Nein. Bei JUNO handelt es sich um reine Grundlagenforschung. Die gewonnenen Erkenntnisse vertiefen unser Verständnis fundamentaler Prozesse im Universum, haben aber keinerlei Anknüpfungspunkte für militärische Anwendungen. Das ist auch die gemeinsame Einschätzung der zahlreichen europäischen Universitäten und Forschungsinstitutionen, die an JUNO beteiligt sind.

¹”First measurement of reactor neutrino oscillations at JUNO”: https://arxiv.org/abs/2511.14593

Text: Janna Eberhardt

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