Kosmische Neutrinos am Südpol bestätigt
Illustration, die eines der energiereichsten Neutrino-Ereignisse dieser Studie zeigt, das einer Ansicht des IceCube-Labors am Südpol überlagert ist. Bild über University of Wisconsin
Forscher am Südpol – die einen Kubikkilometer-Teilchendetektor verwenden, der in das antarktische Eis eingebettet ist – sagen, dass sie eine unabhängige Bestätigung einer Sichtung kosmischer Neutrinos im Jahr 2013 geliefert haben. Es wird angenommen, dass diese ultrahochenergetischen Teilchen den Weltraum ungehindert von Sternen, Planeten, Galaxien, Magnetfeldern oder Wolken aus interstellarem Staub durchquert haben, bevor sie vom IceCube Neutrino-Observatorium am Südpol entdeckt wurden. Hat dieses Teleskop die Neutrinos tatsächlich entdeckt? Nein. Es hat Sekundärpartikel erkannt – genanntMyonen– entsteht in den seltenen Fällen, in denen Neutrinos mit Materie interagieren. Dennoch ist es eine beeindruckende Forschungsarbeit,veröffentlichtam 20.08.2015 im JournalPhysische Überprüfungsschreiben.
Es gibt einige mächtig coole Aspekte dieser weit südlichen Studie. Das Teleskop am Südpol zum Beispiel ist anders als jedes andere auf der Erde. Das IceCube Neutrino-Observatorium besteht aus Tausenden von optischen Sensoren, die tief unter dem antarktischen Eis versenkt sind. Es wurde entwickelt, umschau durch die Erdeum den Himmel der Nordhalbkugel zu beobachten. Auf diese Weise fungiert die Erde als Filter, um einen verwirrenden Hintergrund von Myonen auszusortieren, der beim Aufprall kosmischer Strahlen auf die Erdatmosphäre entsteht. Francis Halzen von der University of Wisconsin, Madison, Professor für Physik und Hauptforscher von IceCube, sagte:
Auf der Suche nach Myon-Neutrinos, die den Detektor durch die Erde erreichen, sollte IceCube Neutrino-Astronomie betreiben und hat es geliefert. Dies ist so nah an einer unabhängigen Bestätigung, wie man es mit einem einzigartigen Instrument erreichen kann.
Kosmische Neutrinos selbst sind ebenso faszinierend wie schwer fassbar. Physiker nennen dasGeisterpartikel. Sie durchdringen die dichtesten irdischen Substanzen, als ob diese Substanzen nicht vorhanden wären. Außerdem haben Neutrinos im Gegensatz zu den meisten subatomaren Teilchen keine elektrische Ladung, sodass sie nicht mit elektrischen oder magnetischen Kräften eingefangen werden können. Kurz gesagt, sie sind sehr schwer zu erkennen.
Diese Forscher sagten, sie müssten die Milliarden von subatomaren Partikeln sortieren, die jedes Jahr durch das IceCube Neutrino-Observatorium sausen, um Daten zu sammeln, die die Neutrinosichtung im Jahr 2013 bestätigen. Sie fanden 21 ultrahochenergetischeMyonen, erzeugt in Neutrino-Interaktionen. Die IceCube-Kollaboration bezeichnete die Daten als „eindeutiges Signal“ für kosmische Neutrinos.
Künstlerisches Konzept von Neutrinos im Weltraum. Sie durchdringen alles, die ganze Zeit. Bild überjovianarc
Warum nach Neutrinos suchen? Hochenergetische Neutrinos sind für Wissenschaftler unwiderstehlich, die glauben, dass sie tief in einigen der gewalttätigsten Phänomene des Universums entstanden sind. Laut einem UW-MadisonStellungnahme:
Die Beweise sind wichtig, weil sie eine neue Form der Astronomie mit Neutrinos ankündigen, den fast masselosen hochenergetischen Teilchen, die in den Beschleunigern der Natur erzeugt werden: Schwarze Löcher, massereiche explodierende Sterne und die energetischen Kerne von Galaxien.
Die dabei entstehenden Teilchen, darunter Neutrinos und kosmische Strahlung, werden auf Energieniveaus beschleunigt, die die rekordverdächtigen erdgebundenen Beschleuniger wie den Large Hadron Collider (LHC) um einen Faktor von mehr als einer Million übertreffen.
Sie werden von Astrophysikern geschätzt, weil die Informationen, die sie enthalten, makellos sind, unverändert, da die Partikel Millionen von Lichtjahren zwischen ihren Quellen und der Erde zurücklegen. Die Möglichkeit, die energiereichsten Neutrinos zu untersuchen, verspricht Einblicke in eine Vielzahl von Problemen der Physik, darunter auch, wie die Natur leistungsstarke und effiziente Teilchenbeschleuniger im Universum baut.
Zwischen Mai 2010 und Mai 2012 verzeichnete IceCube mehr als 35.000 Neutrinos. Allerdings wurden nur etwa 20 dieser Neutrino-Ereignisse auf Energieniveaus getaktet, die auf astrophysikalische oder kosmische Quellen hinweisen.
Der erste Einsatz einer Wasserstoffblasenkammer zum Nachweis von Neutrinos am 13. November 1970. Ein Neutrino traf ein Proton in einem Wasserstoffatom. Die Kollision ereignete sich an der Stelle, an der rechts im Bild drei Spuren ausgehen.
Sie sagen, die neuen Ergebnisse seien aussagekräftig, weil sie mit einer anderen Technik die Fähigkeit des IceCube-Observatoriums bestätigt haben, die geisterhaften Neutrinos zu beproben:
Durch die Instrumentierung eines Kubikkilometers tiefes antarktisches Eis konnten die Wissenschaftler einen Detektor bauen, der groß genug ist, um die Signatur der seltenen Neutrinokollision zu erfassen. Wenn dieses seltene Zertrümmern auftritt, erzeugt es ein Myon, das wiederum eine Spur von Cherenkov-Licht hinterlässt, die die Flugbahn des Neutrinos getreu widerspiegelt. Die „optischen Überschallknalle“, die erzeugt werden, wenn Neutrinos auf ein anderes Teilchen treffen, werden von den optischen Sensoren erfasst, aus denen das IceCube-Detektorarray besteht, und können theoretisch verwendet werden, um auf eine Quelle zurückzuzeigen.
Aber – während die neuen Beobachtungen die Existenz astrophysikalischer Neutrinos und die Mittel zu ihrer Entdeckung mit dem IceCube-Observatorium bestätigen – müssen noch tatsächliche Punktquellen von hochenergetischen Neutrinos identifiziert werden.
Mit anderen Worten, die Forscher konnten die Quellen der Neutrinos noch nicht lokalisieren.
Albrecht Karle, ein UW-Madison-Physikprofessor und leitender Autor des Physical Review Letters-Berichts, stellt fest, dass die vom IceCube-Detektor aufgezeichneten neutrinoinduzierten Spuren innerhalb von weniger als einem Grad eine gute Punktauflösung aufweisen, das IceCube-Team jedoch keine signifikante Anzahl von Neutrinos beobachtet, die aus einer einzigen Quelle stammen.
Die bei der letzten Suche beobachteten Neutrinos haben jedoch die gleichen Energieniveaus wie bei der Beprobung des Himmels der Südhalbkugel durch das Observatorium. Das, sagt Karle, legt nahe, dass viele der potenziellen Quellen der energiereichsten Neutrinos außerhalb der Milchstraße erzeugt werden. Wenn es in unserer eigenen Galaxie eine beträchtliche Anzahl von Quellen gäbe, würde der IceCube-Detektor bei der Beobachtung der Ebene unserer Galaxie aufleuchten – der Region, in der wahrscheinlich die meisten Neutrino-erzeugenden Quellen zu finden wären. Karle fügte hinzu:
Die Ebene der Galaxie ist dort, wo die Sterne sind. Hier wird die kosmische Strahlung beschleunigt, sodass Sie erwarten würden, dort mehr Quellen zu sehen. Aber die energiereichsten Neutrinos, die wir beobachtet haben, kommen aus zufälligen Richtungen.
Es ist eine solide Bestätigung, dass die Entdeckung kosmischer Neutrinos von jenseits unserer Galaxie real ist.
Fazit: Die University of Wisconsin, Madison, gab diesen Monat bekannt, dass ihre Forscher am Südpol mit dem IceCube Neutrino-Observatorium dazu beigetragen haben, den Nachweis kosmischer Neutrinos zu bestätigen.