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Eine Illustration zeigt ein hochenergetisches Neutrino, das aus einem supermassiven schwarzen Loch entweicht und nach Überwindung riesiger kosmischer Entfernungen auf der Erde ankommt.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Wissenschaftler haben das energiereichste „Geisterteilchen“ entdeckt, das je gesehen wurde. Das Teilchen, eine Art Neutrino, erreichte die Erde fast mit Lichtgeschwindigkeit und mit der 30-fachen Energie des bisher energiereichsten Neutrinos, das je gesichtet wurde. Die hohe Energie des Teilchens deutet darauf hin, dass das Neutrino von außerhalb der Milchstraße stammt, und obwohl die Quelle des Geisterteilchens noch nicht bestimmt ist, hat das Team 12 Verdächtige im Auge. Die Verdächtigen sind alle „Blazare“ oder die energetischen Kerne „aktiver galaktischer Kerne“ (AGN), die von supermassiven schwarzen Löchern gespeist werden. Blazare sind eine Art von Quasaren, die sich dadurch auszeichnen, dass die Strahlen hochenergetischer Teilchen und das Licht, das sie ausstoßen, direkt auf die Erde gerichtet sind.

Eine andere Möglichkeit ist jedoch, dass das hochenergetische Neutrino entstand, als ein ultramassives kosmisches Strahlungsteilchen auf Lichtteilchen oder „Photonen“ traf, die nach einem Ereignis kurz nach dem Urknall im Universum zurückblieben.

Das Neutrino wurde durch die Entdeckung eines einzelnen Myons durch das Kilometer Cubic Neutrino Telescope (KM3NeT) entdeckt, das sich am 13. Februar 2023 in einer Tiefe von 3.450 Metern unter den Wellen des Mittelmeers befindet. Während des Ereignisses, das als KM3-230213A bezeichnet wird, durchquerte das Myon den gesamten KM3NeT-Detektor und brachte ein Drittel der Tausenden von aktiven Sensoren des Tiefseeinstruments zum Leuchten.

„Dieses Neutrino ist höchstwahrscheinlich kosmischen Ursprungs, und seine Energie ist so groß, dass es sich in einem völlig unerforschten Energiebereich befindet“, sagte Paschal Coyle vom französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung auf einer Pressekonferenz am Dienstag (11. Februar). „Die Geschichte zeigt uns, dass man, wenn man ein neues ‚Energiefenster‘ öffnet, nie wirklich weiß, was man finden wird. Es ist völlig unerforscht.

„Es ist das Finden unerwarteter Dinge, das viele von uns antreibt“, fügte Coyle hinzu.

Einfangen von hochenergetischen kosmischen Geistern

Neutrinos werden oft als „Geisterteilchen“ bezeichnet, weil sie keine Ladung und eine kaum vorhandene Masse haben. Tatsächlich können etwa 100 Billionen Neutrinos pro Sekunde durch Ihren Körper wandern, ohne dass Sie etwas davon bemerken.

Obwohl Neutrinos nach den Lichtteilchen, den Photonen, das zweithäufigste Teilchen im Universum sind, sind sie bekanntermaßen schwer aufzuspüren und erfordern Detektoren, die tief unter der Erde oder, wie in diesem Fall, unter dem Meer angebracht sind.

„Neutrinos sind eines der geheimnisvollsten Elementarteilchen“, sagte Rosa Coniglione, Mitglied des KM3NeT-Teams vom Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italien, auf der Pressekonferenz. „Sie haben keine elektrische Ladung, fast keine Masse und wechselwirken nur schwach mit der Materie. Sie sind besondere kosmische Boten, die uns einzigartige Informationen über die Mechanismen liefern, die an den energiereichsten Phänomenen beteiligt sind, und die es uns ermöglichen, die entlegensten Winkel des Universums zu erforschen.“

Auch wenn das KM3NeT einen Lichtblitz von einem elektronenähnlichen Myon – und nicht von einem Neutrino – entdeckte, waren es die Eigenschaften dieses Elementarteilchens, die darauf hinwiesen, dass es entstanden war, als ein ungewöhnlich energiereiches Neutrino auf ein anderes Teilchen traf.

„Es gibt viele Myonen, die von oben durch den Detektor laufen, die in der Erdatmosphäre erzeugt werden, und sie sind uninteressant. Wir haben im Jahr 2023 etwa 110 Millionen von ihnen entdeckt“, sagte der Physikkoordinator des Experiments zum Zeitpunkt der Entdeckung, Aart Heijboer vom Nikhef National Institute for Subatomic Physics in den Niederlanden, auf der Pressekonferenz. „Es stellte sich heraus, dass dieses Teilchen horizontal ausgerichtet war. Um ein horizontales Myon zu erzeugen, muss es ein Neutrino gegeben haben, denn dies sind die einzigen Teilchen, die die erforderliche Menge an Material – 87 Meilen [140 Kilometer] Gestein und Wasser – durchqueren können, um dieses horizontale Teilchen im Detektor zu erzeugen.“

(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Das Team war in der Lage, die Energie des Neutrinos anhand der vom Detektor registrierten Lichtmenge zu bestimmen. Sie fanden heraus, dass die Energie 220 Millionen Milliarden Elektronenvolt betrug, was laut Heijboer dem 30.000-fachen der Energie entspricht, die der größte Teilchenbeschleuniger der Erde, der Large Hadron Collider (LHC), zu erreichen vermag.

Zum Vergleich: Um ein Teilchen auf eine solche Energie zu beschleunigen, müsste der LHC von seiner derzeitigen Länge von 27 Kilometern (17 Meilen) auf 40.000 Kilometer (25.000 Meilen) erweitert werden. Das ist der Umfang der Erde.

„Um eine solche Energie zu erreichen, müsste man einen globalen LHC-Beschleuniger auf der ganzen Welt haben“, so Coyle. „Welcher natürliche kosmische Teilchenbeschleuniger könnte also ein Neutrino mit einer solchen Energie ausstoßen? Obwohl die Forscher noch keine schlüssige Antwort haben, vermuten sie, dass die Lösung in den Herzen der AGNs liegt.

Supermassive schwarze Löcher als kosmische Teilchenbeschleuniger

Das Hochenergie-Universum ist überflutet von einer Vielzahl heftiger und kraftvoller Ereignisse, vom explosiven Supernova-Tod massereicher Sterne bis hin zu Gammastrahlenausbrüchen, die kurze Explosionen hochenergetischen Lichts darstellen. Obwohl sie oft nur Bruchteile von Sekunden dauern, können Gammastrahlenausbrüche mehr Energie ausstoßen, als die Sonne in ihrem gesamten Leben ausstrahlt.

Alle diese Ereignisse könnten als Teilchenbeschleuniger wirken, aber die Hauptverdächtigen in diesem Fall sind supermassive schwarze Löcher mit einer Masse, die Millionen oder Milliarden Mal so groß ist wie die der Sonne. Wenn diese supermassereichen schwarzen Löcher in AGNs von riesigen Mengen an Materie umgeben sind, werden sie als „Quasare“ bezeichnet, die riesige Materiejets erzeugen, die sich über Hunderte von Lichtjahren erstrecken können. Wenn diese Strahlen direkt auf uns gerichtet sind, wird der Quasar als „Blazar“ bezeichnet.

Die Jets, die bei Blazar-Flare-Ereignissen ausgesendet werden, bestehen aus hochenergetischen Teilchen, die als kosmische Strahlung bekannt sind und sich weit über die Grenzen der Galaxien hinaus erstrecken können, in denen das Schwarze Loch, das sie erzeugt hat, lebt. Diese Jets bestehen auch aus elektromagnetischer Strahlung, die von niederenergetischen Radiowellen bis hin zu extrem hochenergetischen Gammastrahlen reicht. Wenn solche Teilchen auf andere Galaxien treffen, schicken sie Schauer hochenergetischer Neutrinos durch den Kosmos.Coniglione erklärte auf der Pressekonferenz, dass die Forscher durch die Messung der Richtung des Teilchens in der Lage waren, es bis zum Rand der Milchstraße zurückzuverfolgen.Da es in unserer Galaxie keine Quellen gibt, die das hochenergetische Geisterteilchen erklären könnten, fand das Team 12 interessante Quellen: alles Blazare jenseits der Grenzen der Milchstraße. Einer dieser 12 könnte der Ursprungspunkt dieses neu entdeckten Teilchens sein.

Es gibt jedoch noch einen weiteren Verdächtigen.

Eine Illustration zeigt einen Quasar, der einen Strahl ausstößt, aus dessen Zentrum ein hochenergetisches Neutrino austritt. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Dieses hochenergetische Neutrino könnte nach Ansicht der Forscher entstanden sein, als ein ultrahochenergetischer kosmischer Strahl, höchstwahrscheinlich ein Proton, auf ein Photon im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) traf. Dieses kosmische Fossil stellt das erste Licht dar, das in der Lage war, sich frei durch den Kosmos zu bewegen, nachdem sich Elektronen mit Protonen verbunden hatten, so dass sich die Photonen frei bewegen konnten, ohne endlos gestreut zu werden.

Eine Wechselwirkung zwischen einer kosmischen Strahlung und dem CMB hätte einen Schauer hochenergetischer Neutrinos erzeugt. Sollte dies der Fall sein, wäre dies der erste Nachweis eines sogenannten „kosmogenen Neutrinos“. Wissenschaftler sind sich sicher, dass es solche Neutrinos geben muss, auch wenn sie bisher frustrierend schwer zu finden waren.

Der mögliche Nachweis eines kosmogenen Neutrinos ist aufregend, weil diese hochenergetischen Teilchen eine neue Form der Astronomie eröffnen könnten. Dies würde die Vereinheitlichung der „traditionellen Astronomie“, die elektromagnetische Strahlung nutzt, und der Gravitationswellenastronomie, die sich auf winzige Wellen im Gewebe der Raumzeit konzentriert, verstärken. Der dritte Zweig dieser innovativen Wege zur Erforschung des Kosmos wird als Multi-Messenger-Astronomie bezeichnet, und Neutrino-basierte Versionen davon würden sie auf neue Hochenergiebereiche ausweiten.

Mit einer einzigen Entdeckung kann das Team derzeit nicht unterscheiden, ob dieses hochenergetische Neutrino aus einem kosmischen Teilchenbeschleuniger wie einem Blazar stammt oder ob es bei einer Kollision zwischen kosmischer Strahlung und CMB entstanden ist.

Die Tatsache, dass KM3NeT diesen historischen Erstnachweis noch während der Bauphase erbracht hat, sollte jedoch zuversichtlich stimmen, dass dieses kosmische Rätsel bald gelöst werden könnte.

„Im nächsten Jahr wird KM3NeT mehr und mehr Daten mit verbesserter Winkelauflösung liefern“, sagte Coniglione. „In naher Zukunft werden wir eine präzisere Ausrichtung dieses Ereignisses und wahrscheinlich eine genauere Schlussfolgerung über den Ursprung dieses Ereignisses haben.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (12. Februar) in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.