Ein Neutrino jenseits aller Erwartungen
Physiker haben ein extragalaktisches Neutrino entdeckt, das etwa 30-mal energiereicher ist als jedes zuvor registrierte Neutrino. Es könnte das erste Mal sein, dass ein seltenes Teilchen beobachtet wurde, das aus Wechselwirkungen mit dem ältesten Licht des Universums entstanden ist.
Die Entdeckung gelang einem Detektor, der vor der Küste Maltas tief im Mittelmeer vergraben ist. Dort registrierte das Instrument das Neutrino – ein elementares Teilchen, das sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und so gut wie nie mit anderer Materie interagiert. Die hohe Energie des Neutrinos lässt vermuten, dass es aus einer Quelle außerhalb der Milchstraße stammt. Forscher glauben, dass entweder extrem energiereiche astrophysikalische Ereignisse oder seltene Wechselwirkungen zwischen Materie und der kosmischen Mikrowellenstrahlung – dem ältesten Licht des Universums – dafür verantwortlich sein könnten.
Die Studie zu dieser Entdeckung wurde jetzt in Nature veröffentlicht.
Eine Entdeckung aus der Tiefe des Mittelmeers
Die Entdeckung fand bereits am 13. Februar 2023 statt, aber die Analyse des Ereignisses und die Bestimmung des Teilchens sowie seiner möglichen Herkunft nahmen Zeit in Anspruch.
Das Experiment, das zu dieser bahnbrechenden Entdeckung führte, ist das Cubic Kilometre Neutrino Telescope (KM3NeT). Dieses besteht aus zwei riesigen Teilchendetektoren, die tief im Mittelmeer liegen – in einer Tiefe von 3.450 Metern bzw. 2.450 Metern. Dort messen optische Module auf dem Meeresboden das extrem schwache Licht, das entsteht, wenn Neutrinos mit Materie reagieren und geladene Teilchen erzeugen.
Neutrinodetektoren müssen gigantisch sein (daher der Name Cubic Kilometre – also etwa ein Kubikkilometer Volumen) und in einer abgeschiedenen Umgebung betrieben werden. Deshalb werden sie an extremen Orten wie tief unter der Erde, am Meeresgrund oder in Eisschichten installiert.
Im Februar 2023 registrierte das Team ein hochenergetisches Myon, das den Detektor durchquerte. Dabei wurden Signale in mehr als einem Drittel der Sensoren ausgelöst. Aufgrund der Flugbahn und Energie des Teilchens kamen die Forscher zu dem Schluss, dass das Myon von einem kosmischen Neutrino stammte – im Gegensatz zu einem Neutrino aus der Erdatmosphäre.
Ein wahres Energiebiest
Die Berechnungen ergaben, dass das Myon eine Energie von etwa 120 Petaelektronenvolt (PeV) hatte. Ein einzelnes PeV entspricht einer Billiarde Elektronenvolt. Und das Neutrino, das das Myon erzeugte, hatte sogar eine noch höhere Energie: 220 PeV.
Das ist vergleichbar mit der Energie, die ein Tischtennisball beim Herunterfallen aus einem Meter Höhe hat – aber in einem einzigen winzigen Elementarteilchen konzentriert! Zum Vergleich: Diese Energie ist etwa 30.000-mal stärker als die der Protonen im Large Hadron Collider (LHC) am CERN, dem leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt.
„All diese Energie steckt in einem einzigen, punktförmigen Elementarteilchen,“ erklärte Paschal Coyle, Sprecher des KM3NeT-Experiments und Wissenschaftler am Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Marseille, bei einer Pressekonferenz. „Das ist einfach beeindruckend.“
Um ein Neutrino dieser Energie in einem Labor wie dem LHC zu erzeugen, bräuchte man einen Teilchenbeschleuniger, der sich um die gesamte Erde in der Höhe geostationärer Satelliten erstreckt.
Das ultimative „Geisterteilchen“
Neutrinos sind unglaublich schwer zu entdecken. Laut dem IceCube Neutrino-Observatorium passieren jede Sekunde rund 100 Billionen dieser Teilchen unseren Körper – ohne dass wir es merken. Sie sind nach Photonen die zweithäufigsten Teilchen im Universum. Aufgrund ihrer kaum vorhandenen Wechselwirkung mit Materie werden sie auch „Geisterteilchen“ genannt.
Im letzten Jahr entdeckte IceCube sieben vielversprechende Signale eines bestimmten Neutrino-Typs – extrahiert aus fast zehn Jahren an gesammelten Daten. Das zeigt, wie schwierig es ist, diese Teilchen zu finden. Die neue Entdeckung von KM3NeT basiert hingegen auf nur einem einzigen Neutrino, was seine Bedeutung umso mehr unterstreicht.
Doch das Experiment lief zum Zeitpunkt der Entdeckung erst zu 10 % seiner vollen Kapazität. Die Forscher hoffen deshalb, dass künftige Messungen weitere Erkenntnisse über die Energie, das Spektrum und die Herkunft kosmogener Neutrinos sowie jener aus aktiven Galaxienkernen liefern könnten.
Woher kommt das Neutrino?
Die Wissenschaftler sind sich sicher, dass das Neutrino von außerhalb unserer Galaxie stammt. Doch wo genau liegt seine Quelle? Zwei Haupttheorien stehen zur Debatte:
- Kosmogene Neutrinos – Diese entstehen, wenn kosmische Strahlung mit den Photonen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (dem ältesten Licht des Universums) interagiert.
- Astrophysikalische Neutrinos – Diese stammen von extrem energiereichen Objekten im Universum, wie Blazaren. Blazare sind aktive Galaxienkerne, die Teilchenstrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ins All schleudern.
Das Team hat bereits 12 vielversprechende Blazare identifiziert, die in der ungefähren Richtung liegen, aus der das Neutrino stammen könnte.
Zukunftsaussichten
Co-Autor Damien Dornic erklärte bei der Pressekonferenz, dass die Forscher derzeit Archivdaten auswerten und neue Beobachtungen anfordern, um herauszufinden, ob bestimmte astrophysikalische Quellen mit der Neutrino-Sichtung in Verbindung gebracht werden könnten.
„In Zukunft werden wir die Unsicherheiten erheblich verringern können, selbst für dieses eine Ereignis,“ so Aart Heijboer vom Nikhef National Institute for Subatomic Physics.
Sollte sich bestätigen, dass das Neutrino tatsächlich eine kosmogene Herkunft hat, wäre es das erste jemals nachgewiesene seiner Art. Die Erweiterung des KM3NeT-Detektors läuft bereits, und Forscher hoffen, bald weitere Neutrinos dieser Energieklasse zu entdecken oder die spektakuläre Beobachtung aus 2023 weiter zu entschlüsseln.
