IceCube-Experiment registriert Neutrinos mit extrem hoher Energie

Die Detektoranlage IceCube im Eis der Antarktis hat zwei Neutrinos mit einer Energie von mehr als einer Billiarde Elektronenvolt registriert. Die am 8. August 2011 und am 3. Januar 2012 beobachteten Teilchen waren etwa 100 Millionen Mal energiereicher als Neutrinos, die von Supernova-Explosionen zur Erde gelangen. Die Neutrinos könnten bei einem Gammastrahlungsausbruch in einer weit entfernten Galaxie entstanden sein. Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgte auf der wissenschaftlichen Onlinedatenbank arXiv, sie wurde daher noch nicht im Peer-Review-Verfahren überprüft.

An senkrecht hängenden Kabelsträngen hängen etwa kugelförmige Geräte aufgereit.
IceCube

„Das ist die höchste Energie, die wir jemals bei Neutrinos gemessen haben“, erklärt Thomas Gaisser von der University of Delaware, der am IceCube-Projekt mitarbeitet. In ihrem Bericht mahnen die Forscher jedoch zur Vorsicht bei der Interpretation der Ereignisse. Die Neutrinos wurden bei der vollständigen Auswertung der Messungen der Detektoranlage über einen Zeitraum von zwei Jahren aufgespürt. Über diesen Zeitraum hinweg wäre zwar nur mit durchschnittlich 0,08 Neutrinos mit derart hohen Energien zu rechnen, die durch Reaktionen anderer hochenergetischer Teilchen der kosmischen Strahlung erst in der irdischen Lufthülle entstanden sind. Die Wahrscheinlichkeit, dass die beobachteten Neutrinos tatsächlich aus den Tiefen des Alls stammen, beträgt daher 99,5 Prozent. Physiker geben diesen Wert mit 2,8 Sigma an. Die Grenze für ein signifikantes Ergebnis liegt jedoch bei drei Sigma, entsprechend einer Wahrscheinlichkeit von über 99,7 Prozent. „Diese beiden Ereignisse könnten zwar ein erster Hinweis auf einen astrophysikalischen Neutrinostrom sein“, schreiben die Wissenschaftler, „aber für eine sichere astrophysikalische Interpretation benötigen wir mehr Daten.“

Neutrinos sind sehr schwer zu untersuchen, da sie mit anderen Materieteilchen kaum in Wechselwirkung treten. Die meisten von ihnen durchqueren den gesamten Erdball, ohne eine einzige Reaktion auszulösen. Doch die geringe Wechselwirkung hat auch den Vorteil, dass Neutrinos aus dem Inneren von Himmelskörpern stammen können und Astrophysikern somit einen Blick in die energiereichen Prozesse ermöglichen, die bei der Explosion extrem massereicher Stern ablaufen.

Um die Teilchen nachzuweisen, sind große Materiemengen nötig, die aus möglichst reinen Stoffen bestehen. Ein solcher Stoff ist beispielsweise Wasser – und im Eis der Antarktis liegt es in großen Mengen in ausreichend reiner Form vor. Reagiert in sehr seltenen Fällen ein Neutrino mit einem Wassermolekül, so entstehen elektrisch geladene Teilchen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Eis rasen und dabei Licht aussenden, sogenannte Tscherenkow-Strahlung. Nach diesem Licht suchen die Forscher mit IceCube. IceCube ist – der Name sagt es bereits – ein riesiger Eiswürfel: Seine Kantenlänge beträgt einen Kilometer. 5160 Lichtverstärker haben die Physiker des IceCube-Projekts bis zu 2,5 Kilometer tief in das antarktische Eis versenkt. So können sie das Tscherenkow-Licht nicht nur einfangen, sondern auch die Richtung bestimmen, aus der es kommt – und damit auch die Herkunftsrichtung der Neutrinos.