„Überraschendes Intensitätsmaximum bei hochenergetischen Neutrinos“

Welt der Physik: Welche Art von Teilchen untersuchen Physikerinnen und Physiker mit IceCube?

Markus Ackermann

Markus Ackermann: Wir interessieren uns für Neutrinos. Es handelt sich bei IceCube um ein sehr ungewöhnliches Observatorium. Es besteht nicht aus einem Spiegelteleskop oder Radioantennen, sondern aus tausenden von kleinen und sehr lichtempfindlichen Detektoren, die in das Eis der Antarktis eingelassen sind und dort ein Volumen von rund einem Kubikkilometer überwachen. Wir suchen damit nach den Spuren von hochenergetischen Neutrinos.

Welche Eigenschaften haben diese Teilchen?

Diese Teilchen sind dafür bekannt, nur extrem selten eine Wechselwirkung mit normaler Materie einzugehen. Sie können quer durch die Erde fliegen, ohne die geringste Wechselwirkung mitzumachen. Aber hin und wieder trifft doch ein Neutrino auf einen Atomkern, auch bei IceCube in der Antarktis. Wenn das Neutrino sehr energiereich ist, können dabei große Teilchenschauer aus geladenen Teilchen wie Elektronen und Protonen entstehen, die einen kurzen Lichtblitz im Eis auslösen. Dieses Licht können die Detektoren von IceCube einfangen und daraus lassen sich die Richtung und Energie der ursprünglichen Neutrinos bestimmen.

Was genau haben die neuen Messungen ergeben?

Wir schauen vor allem nach sehr hochenergetischen Neutrinos, die eine Energie von über einem Teraelektronenvolt aufweisen – wobei die Vorsilbe Tera für den Faktor eine Billion steht. Es geht also um extrem energiereiche Teilchen. Wir haben mit IceCube sogar schon Neutrinos mit über tausend Teraelektronenvolt messen können. Nur zum Vergleich, damit man sieht, welch immense Energie das ist: Mit dem derzeit leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider, lassen sich Protonen auf knapp sieben Teraelektronenvolt bringen. Wir haben jetzt die Energieverteilung dieser hochenergetischen Neutrinos genau betrachtet und analysiert, wie viele Neutrinos wir mit welchen Energien in IceCube nachgewiesen haben. In diesem Spektrum haben wir erstmals ein Intensitätsmaximum identifizieren können.

Was bedeutet das?

Lichtempfindlicher Detektor

Die Intensität ergibt sich daraus, wie viele Neutrinos einer bestimmten Energie bei IceCube ankommen und wie viel Energie jedes der Teilchen hat. In den Berechnungen der Intensität wird also nicht nur die Teilchenzahl, sondern auch die jeweilige Neutrinoenergie berücksichtigt. Wenn man hier ein Maximum findet, dann bedeutet das, dass bestimmte Prozesse im All bei dieser Energie besonders viel Energie effizient in Neutrinos umsetzen. Das Intensitätsmaximum, das wir gefunden haben, liegt bei rund 30 Teraelektronenvolt. Das ist eine ziemlich überraschende Erkenntnis. Denn bislang hatte man keine klaren Strukturen in diesem Spektrum erkennen können, außer dass die Neutrinos immer seltener werden, je energiereicher sie sind. Aber dank der stetig gewachsenen Datenlage konnten wir die Energieverteilung der gemessenen Neutrinos präziser analysieren und dieses Maximum finden.

Woher stammen solche hochenergetischen Neutrinos?

Wir können auf jeden Fall sagen, dass sie aus extragalaktischen Quellen stammen. In der Milchstraße gibt es keine bekannten Objekte, die derart energiereiche Neutrinos in ausreichender Zahl produzieren könnten. Bislang können wir nur sagen, dass diese Neutrinos aus den Tiefen des Alls ungefähr gleichmäßig aus allen Richtungen zu uns kommen. Auch das ist ein Hinweis, dass sie nicht aus der Milchstraße stammen, denn sonst würde man eine Häufung aus Richtung der galaktischen Scheibe erhalten, weil dort die meiste Materie konzentriert ist.

Und wie kommen Neutrinos auf derart hohe Energien?

Dazu muss man verstehen, dass diese Neutrinos ihrerseits Produkte von noch energiereicheren Teilchen sind. Denn sie selbst haben ja keine elektrische Ladung, können also in elektromagnetischen Feldern nicht beschleunigt werden. Stattdessen werden etwa in den Jets von Schwarzen Löchern oder bei Supernovae geladene Teilchen wie Protonen oder schwerere Atomkerne zum Teil auf extrem hohe Energien beschleunigt. Wenn diese Teilchen dann mit anderen Teilchen kollidieren – etwa im interstellaren Gas oder sogar mit Lichtteilchen –, können sie in neue Teilchen umgewandelt werden. Dabei verteilt sich ihre Energie auf die vielen neu entstandenen Partikel, darunter auch Neutrinos.

Es gibt aber keinen direkten Hinweis auf eine bestimmte Art von Quelle?

IceCube-Detektor

Richtig, für die allermeisten Neutrinos können wir bislang zwar die Energie messen, aber sie noch nicht einer bestimmten Quelle zuordnen. Dennoch vermuten wir, dass Blazare eine mögliche Quelle von hochenergetischen Neutrinos sind. Blazare sind supermassereiche Schwarze Löcher, die aktiv Materie verschlingen und deren Jet genau in Richtung Erde zeigt. Diese gigantischen Jets sind bekannt dafür, Teilchen zu besonders hohen Energien zu beschleunigen. Vermutlich sind sie zumindest für einen Teil der hochenergetischen Neutrinos verantwortlich.

Welche anderen Quellen kommen infrage?

Auch Supernovae und ihre Überreste gelten als starke Teilchenbeschleuniger. Nachdem eine Supernova explodiert ist, dehnt sich die abgesprengte Hülle mit sehr hoher Geschwindigkeit in das umgebende interstellare Medium aus. Dabei entstehen Stoßfronten im Gas, die Teilchen auf sehr hohe Energien beschleunigen können. Man bräuchte allerdings viele Supernovae, um so viele energiereiche Neutrinos zu erzeugen. Die Vermutung der Theoretikerinnen und Theoretiker ist daher, dass Galaxien mit einer sehr hohen Sternentstehungsrate und entsprechend vielen Supernovae ebenfalls einen wichtigen Beitrag zur Menge an hochenergetischen Neutrinos liefern könnten.

Wie geht es jetzt weiter?

Unsere Ergebnisse sind zunächst ein experimenteller Befund, und zwar ein sehr spannender. Den werden sich jetzt theoretische Physikerinnen und Physiker genau anschauen. Das wird auf jeden Fall bei den kommenden Konferenzen für interessante Diskussionen sorgen.