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ICECUBE
Kosmisches Neutrino mit Rekordenergie
Redaktion / idw / Pressemitteilung der RWTH Aachen
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4. August 2015

Wissenschaftlern ist es gelungen, mit dem Neutrino-Observatorium IceCube in der Antarktis das höchstenergetischste jemals gemessene Neutrino zu beobachten. Für die Forscher ist der Fund ein wichtiger Schritt zur Lösung einer der großen Rätsel der modernen Physik: Aus welchen Quellen stammt die hochenergetische kosmische Strahlung?

IceCube

Die IceCube-Zentrale an der Scott-Amundsen-Station am Südpol. Bild:  Felipe Pedreros, IceCube/NSF  [Großansicht]

Die Erde wird kontinuierlich von kosmischer Strahlung bombardiert - mit Teilchen, deren Energien bis zu zehnmillionenfach größer sind als sie in Teilchenbeschleunigern, wie beispielsweise dem Large Hadron Collider (LHC), auf der Erde erzeugt werden können. Obwohl diese zumeist aus Atomkernen bestehende Strahlung schon vor mehr als hundert Jahren entdeckt wurde, sind ihre astronomischen Quellen immer noch unbekannt.

Die Lösung dieses Rätsel gehört zu den wichtigsten Aufgaben der modernen Physik. Zur Lösung haben Physiker schon vor mehr als 50 Jahren vorgeschlagen, nach kosmischen Neutrinos zu suchen, weil diese ungestört auf geradem Weg durch das Universum fliegen und ihre Existenz zudem eng mit der Produktion der kosmischen Strahlung verknüpft wäre.

Ihre Messung jedoch stellt eine große Herausforderung dar, da dazu extrem große Detektoren benötigt werden. Nach mehreren Jahrzehnten der Detektorentwicklung und sechsjähriger Bauzeit wurde im Jahr 2010 das Neutrino-Observatorium IceCube am Südpol fertiggestellt. Hier arbeiten heute 310 Wissenschaftler einer internationalen Kollaboration von 44 Instituten aus 12 Ländern unter der Leitung der University of Wisconsin.

IceCube ist der weltweit größte Neutrinodetektor. Etwa ein Kubikkilometer des antarktischen Eises wurden dafür in einer Tiefe zwischen anderthalb und zweieinhalb Kilometern mit ultra-sensitiven Lichtsensoren ausgestattet. Diese können das schwache Lichtsignal messen, das bei einer Neutrino-Wechselwirkung mit dem Eis entsteht. Bereits in den Messdaten der ersten Jahre konnte ein kosmisches Neutrinosignal entdeckt werden.

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Physiker der IceCube-Kollaboration haben nun mit Hilfe zusätzlicher Daten von nun insgesamt sechs Jahren Messzeit die vorherigen Messungen deutlich verbessert. Die gemessenen Daten bestehen aus mehreren Milliarden aufgezeichneten Leucht-Ereignissen, die zumeist eine Art Hintergrundrauschen und nicht auf Neutrinos zurückzuführen sind.

Daraus wurde mit ausgefeilten Analysemethoden eine beeindruckende Auswahl von 340.000 Ereignissen extrahiert, die auf Wechselwirkungen von Myon-Neutrinos zurückgeführt werden können. Diese Neutrinos stammen zu ihrer überwiegenden Zahl nicht aus dem Kosmos, sondern sind bei Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung mit der Erdatmosphäre entstanden.

Eines der Ereignisse sticht heraus: Es ist ein extrem hochenergetisches Neutrino, dessen Ursprung mit hoher Wahrscheinlichkeit außerhalb unseres Sonnensystems liegt. "Bei dem Ereignis handelt es sich um ein Neutrino-induziertes Myon, dass über einen Kilometer durch das instrumentierte Detektorvolumen fliegt", erläutert Leif Rädel, Wissenschaftler der RWTH Aachen und Entdecker des Ereignisses. "Auf seinem Weg durch den Detektor verliert es eine Energie von circa 2,6 PeV, was einer erwarteten Myonenergie von vier bis fünf PeV entspricht. Das heißt, dass die Neutrinoenergie sogar noch größer gewesen sein muss."

Das Elektronenvolt, abgekürzt eV, ist eine Einheit der Energie, die in der Teilchenphysik häufig verwendet wird. PeV bezeichnet dabei ein Petaelektronenvolt, also eine Billiarde Elektronenvolt.

"Diese hohe Energie bricht nicht nur den Weltrekord der von IceCube im Jahr 2013 beobachteten Neutrinoenergie von 2,2 PeV. Diesmal ist es eine lange Spur, deren Richtung mit einer Genauigkeit von besser als 1 Grad gemessen werden kann", ergänzt Mitentdecker Sebastian Schoenen, ebenfalls von der RWTH. "Daher kann nach astronomischen Quellen in der Herkunftsrichtung des Ereignisses gesucht werden."

Professor Dr. Christopher Wiebusch, Leiter der Aachener Gruppe, fasst zusammen: "Unsere Gruppe hat sich auf diese Suche nach hochenergetischen Spuren spezialisiert. Bereits die Analyse der ersten Daten zeigte Hinweise auf ein kosmisches Neutrinosignal. Hierfür wurde die Aachener Physikerin Anne Schukraft mit dem Hertha-Sponer-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) ausgezeichnet. Dies hat uns darin bestärkt, die Analysemethoden ständig zu verbessern. Dieser Erfolg ist eine große Belohnung für viele Jahre harte Arbeit."

Professorin Dr. Olga Botner von der Universität im schwedischen Uppsala, die internationale Sprecherin der IceCube-Kollaboration, blickt in die Zukunft: "Die Beobachtung dieses multi-PeV Myon-Neutrinos bedeutet einen weiteren Schritt in der Erforschung des Universums bei hohen Energien. Da Myon-Neutrinos eine sehr gute Richtungsauflösung besitzen, bringt uns die Entdeckung dem Lösen des Rätsels der Quellen der höchstenergetischen kosmischen Strahlung näher." Zwar sei das Ereignis durch eine an der RWTH Aachen entwickelte Analyse entdeckt worden, die Begeisterung über den Fund werde jedoch von der gesamten Kollaboration geteilt.

Über die Beobachtung des höchstenergetischsten jemals gemessenen Neutrinos berichtete das IceCube-Team heute auf der 34th International Cosmic Ray Conference im niederländischen Den Haag.

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siehe auch
Neutrinos: Teleskop im Eis misst Oszillationen - 27. März 2015
IceCube: Neutrinos aus dem fernen All - 21. November 2013
IceCube: Weltgrößtes Neutrino-Teleskop fertiggestellt - 20. Dezember 2010
Links im WWW
RWTH Aachen
IceCube Neutrino Observatory
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