Durchbruch in der Neutrino-Astronomie

Es sind gerade einmal 28 extrem leichtgewichtige Elementarteilchen, aber für die Astronomen ist es ein Durchbruch: IceCube, der im ewigen Eis der Antarktis untergebrachte größte Teilchendetektor der Welt, hat erstmals Neutrinos mit einer Energie von über dreißig Billionen Elektronenvolt registriert, die aus den Tiefen des Weltalls stammen. Damit seien künftig das Innere explodierender Sterne und andere hochenergetische kosmische Phänome einer direkten Beobachtung zugänglich, schreibt das IceCube-Team im Fachblatt „Science“.

„Das ist der erste Hinweis auf extrem hochenergetische Neutrinos, die von jenseits unseres Sonnensystems kommen“, erläutert der Projektleiter von IceCube, Francis Halzen von der University of Wisconsin-Madison. Zwar registrierten bereits 1987 mehrere Detektoren Neutrinos von einem in der Großen Magellanschen Wolke explodierten Stern. „Die jetzt mit IceCube nachgewiesenen Neutrinos haben jedoch eine millionenfach höhere Energie“, so Markus Ackermann vom Forschungszentrum DESY in Zeuthen bei Berlin. „Damit erleben wir vielleicht die Geburtsstunde der Neutrino-Astronomie.“

Neutrinos treten mit gewöhnlicher Materie kaum in Wechselwirkung. Deshalb könnten sie den Astrophysikern einen Blick tief in das Innere von Himmelskörpern ermöglichen, zum Beispiel in die energiereichen Prozesse, die bei der Explosion extrem massereicher Sterne ablaufen. Doch die schwache Wechselwirkung der Neutrinos mit gewöhnlicher Materie hat für die Forscher auch einen gravierenden Nachteil – die Partikel lassen sich nur schwer nachweisen. Die meisten Neutrinos durchqueren den gesamten Erdball, ohne eine einzige Reaktion auszulösen.

Das IceCube Laboratory in der Antarktis

Um die flüchtigen Partikel nachzuweisen, sind daher große Materiemengen nötig, die aus möglichst reinen Stoffen bestehen, die mit Neutrinos reagieren können. Ein solcher Stoff ist beispielsweise Wasser und im Eis der Antarktis liegt es in großen Mengen in ausreichend reiner Form vor. Reagiert ein Neutrino – was selten vorkommt – mit einem Wassermolekül, so entstehen elektrisch geladene Teilchen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das Eis rasen und dabei Licht aussenden, so genannte Tscherenkow-Strahlung. Nach diesem Licht suchen die Forscher mit IceCube. 5.160 Lichtverstärker haben die Physiker des IceCube-Projekts bis zu 2,5 Kilometer tief in einem Kubikkilometer des antarktischen Eises 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.

Im April 2012 stießen die IceCube-Forscher erstmals auf zwei Neutrinos mit extrem hoher Energie. Für sich genommen, hätten diese beiden Teilchen jedoch auch durch kosmische Strahlen in der irdischen Atmosphäre entstanden sein können. Doch eine vertiefte Suche in den von Mai 2010 bis Mai 2012 mit IceCube gesammelten Daten förderte 26 weiter hochenergetische Neutrinos zutage – deutlich mehr, als in der Erdatmosphäre entstehen können, so die Forscher. Woher die Neutrinos genau kommen, können die Wissenschaftler allerdings noch nicht sagen, dazu ist die Anzahl bislang zu klein. Mit steigenden Zahlen hoffen die IceCube-Forscher jedoch, einzelne Quellen der Neutrino-Strahlung identifizieren zu können.