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„IceCube“-Experiment : Durchbruch in der kosmischen Neutrinoforschung

Ja, einer der Gründe, warum wir uns für die hochenergetischen Neutrinos interessieren, ist, dass sie der Schlüssel zur Beantwortung der Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung sind. Kosmische Strahlung, hochenergetische Teilchenstrahlung, wurde schon vor über hundert Jahren von Victor Hess entdeckt und ist insofern eigentlich ein alter Hut. Aber wir wissen immer noch nicht, wo diese Teilchen herkommen. Sie erreichen unglaubliche Energien: etwa zehn Millionen mal höher als die Energien, die wir mit den besten Teilchenbeschleunigern auf der Erde erzeugen können. Es gibt also natürliche Teilchenbeschleuniger, aber wir wissen nicht, welche Quellen im Universum es schaffen, Teilchen auf solche Energien zu beschleunigen. Das Problem dabei ist, dass die kosmische Strahlung aus geladenen Teilchen besteht - hauptsächlich Protonen -, die auf dem Weg zu uns von Magnetfeldern abgelenkt werden. Wenn sie auf der Erde ankommen, können wir zwar ihre Richtung messen, aber das ist nicht mehr die Richtung, aus der sie ursprünglich gekommen sind.

Und hier kommen die Neutrinos ins Spiel?

Genau. In der Quelle stoßen die Protonen der kosmischen Strahlung auf andere Protonen oder auf Photonen. Bei diesen Prozessen werden hochenergetische Neutrinos produziert. Da diese hochenergetischen Neutrinos ausschließlich in solchen Prozessen produziert werden, nennen wir sie “Smoking Gun”-Signaturen für kosmische Beschleuniger: Wenn wir hochenergetische Neutrinos sehen, können wir sicher sein, dass an deren Ursprungsort auch kosmische Strahlung beschleunigt wird.

Bohrloch für das Icecube-Neutrino-Observatorium in der Antarktis.

Welche kosmischen Phänomene kommen denn theoretisch als Teilchenbeschleuniger in Frage?

Aktiven Galaxienkerne - Zentralregionen von Galaxien, in denen ein supermassives Schwarzes Loch Unmengen von Materie verschlingt - sind ein guter Kandidat. Blazare sind eine spezielle Klasse davon, bei der die resultierende Strahlung direkt in unsere Richtung gesandt wird. Andere Kandidaten sind Gammablitze oder spezielle Arten von Supernova Explosionen. Auch Starburstgalaxien sind öfter im Gespräch

Können wir jetzt angesichts der IceCube Entdeckung sagen, dass die kosmische Strahlung in Blazaren beschleunigt wird?

Hier gibt es noch zwei Probleme. Erstens sind wir nicht hundertprozentig sicher, dass das Neutrino wirklich von dem Blazar gekommen ist. Die Wahrscheinlichkeit, dass es Zufall ist, ist aber klein. Wir haben einen Wert von drei Sigma berechnet, also 1 in 1000. Wenn wir annehmen, dass das Neutrino wirklich vom Blazar stammt, dann muss dort zwar auch kosmische Strahlung produziert werden, aber - und das ist der zweite Punkt - diese Strahlung muss nicht zwangsläufig die allerhöchsten Energien erreichen. Das aufgezeichnete Neutrino hat eine Energie von 300 TeV. Man nimmt an, dass das Proton, das dieses Neutrino produziert hat, zwanzig Mal mehr Energie besaß, aber dieser Wert liegt noch deutlich unter den höchsten beobachteten Energien der Teilchenstrahlung. Für diese hohen Energien könnte es also noch andere Quellen als Blazare geben.

Wie haben Sie die Wahrscheinlichkeit für ein zufälliges Übereinstimmen der Richtungen von Blazar und Neutrino berechnet?

Die Frage ist ja: Wenn man zufällig in eine Richtung am Himmel schaut, wie hoch ist dann die Wahrscheinlichkeit, dann dort einen Blazar zu finden, der zu der Zeit auch noch aufflackert. Um dies abzuschätzen haben wir Daten des Fermi Weltraumteleskops genutzt, das alle drei Stunden den gesamten Himmel nach Gammastrahlung abscannt. Uns standen mehr als neun Jahre Archivdaten mit über 2000 Quellen zur Verfügung. Für diese Quellen haben wir die Helligkeitsentwicklung berechnet. Das war der eine wichtige Input. Dann war noch wichtig zu wissen, wie unsicher unsere Bestimmung der Richtung des Neutrinos ist. Wenn wir die Richtung des Neutrinos genau kennen, ist die Wahrscheinlichkeit klein, genau dort zufällig eine Quelle zu sehen. Um diese Unsicherheit zu bestimmen, haben wir von IceCube simulierte Daten ähnlicher Neutrinos verwendet.

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