(Main) Das IceCube-Neutrino-Observatorium im Eis des Südpols (Inset) ein Diagramm von Photonen aus einer Neutrino-Wechselwirkung und einem Tau-Lepton-Zerfall, die von digitalen optischen Modulen entdeckt wurden (Bildnachweis: Jack Pairin/IceCube Collaboration)
Astronomen haben mit dem IceCube-Observatorium, das tief im Eis des Südpols vergraben ist, sieben schwer fassbare und exotische „Geisterteilchen“-Kandidaten entdeckt, als sie durch die Erde strömten. Die Signale deuten darauf hin, dass es sich bei diesen Teilchen um astrophysikalische Tau-Neutrinos handelt; sie fungieren als wichtige Boten zwischen mächtigen, hochenergetischen Himmelsereignissen und uns.
Neutrinos sind ladungs- und nahezu masselose Teilchen, die mit annähernd Lichtgeschwindigkeit durch den Kosmos rasen. Seltsamerweise treten Neutrinos aufgrund dieser Parameter kaum in Wechselwirkung mit irgendetwas. Tatsächlich durchqueren etwa 100 Billionen von ihnen jede Sekunde unseren Körper. Wir können es nur nicht erkennen. Wären Sie ein Neutrino-Detektor in Menschengröße, müssten Sie etwa 100 Jahre warten, bis ein Neutrino mit einem Teilchen in Ihrem Körper wechselwirkt. Nicht umsonst tragen Neutrinos den Spitznamen „Geisterteilchen“.
Hochenergetische Neutrinos aus kosmischen Quellen am Rande der Milchstraße werden „astrophysikalische Neutrinos“ genannt, und es gibt sie in drei Geschmacksrichtungen oder Generationen: Elektronen-Neutrinos, Myon-Neutrinos und Tau-Neutrinos. Alle diese Phantomteilchen sind unglaublich schwer zu fassen, wie Sie vielleicht erwarten, aber sie aufzuspüren ist die Aufgabe von IceCube. Im Jahr 2013 entdeckte das Observatorium erstmals astrophysikalische Neutrinos, und nun scheint es insbesondere astrophysikalische Tau-Neutrinos entdeckt zu haben, die als eine völlig neue Art von kosmischen Botenstoffen dienen könnten.
„Die Entdeckung von sieben Tau-Neutrinokandidaten in den Daten, kombiniert mit der sehr geringen Menge an erwartetem Hintergrund, erlaubt uns die Behauptung, dass es höchst unwahrscheinlich ist, dass sich Hintergründe verschwören, um sieben Tau-Neutrinofälschungen zu erzeugen“, sagte Doug Cowen, Co-Leiter der Studie und Professor für Physik an der Penn State University in einer Erklärung. „Die Entdeckung astrophysikalischer Tau-Neutrinos ist auch eine starke Bestätigung der früheren Entdeckung des diffusen astrophysikalischen Neutrinostroms durch IceCube.“
IceCubes Neutrinodetektoren für digitale optische Module, bevor sie tief unter dem Südpol vergraben wurden. (Bildnachweis: Kael Hanson/IceCube/NSF)
Gefangen unter dem Eis
Um Neutrinos auf ihrem Weg durch die Erde nachzuweisen, verwendet IceCube Ketten von goldenen Kugeln, die als digitale optische Module (DOMs) bezeichnet werden und in Eis eingebettet sind. Insgesamt verfügt das Observatorium über 5.160 DOMs, die tief im antarktischen Eis vergraben sind und nur darauf warten, dass Neutrinos mit den Molekülen im Eis wechselwirken und geladene Teilchen erzeugen. Diese geladenen Teilchen emittieren blaues Licht, wenn sie durch das Eis wandern – die DOMs registrieren dieses Licht.
Wenn hochenergetische astrophysikalische Tau-Neutrinos mit Molekülen wechselwirken, erzeugen sie charakteristische Lichtemissionen, einschließlich eines charakteristischen Doppelkaskaden-Ereignisses, das zwei Spitzen in den von DOMs erfassten Lichtpegeln erzeugt.
Die doppelte Pulswellenform, die anzeigt, dass DOMs Tau-Neutrinos entdeckt haben. (Bildnachweis: Jack Pairin/IceCube Collaboration)
In der Vergangenheit gelang es IceCube, verlockende Hinweise auf diese Tau-Neutrinosignaturen einzufangen, aber Cowen und seine Kollegen wollten die schwer fassbaren Teilchen wirklich genau lokalisieren.
Andere Neutrino-Varianten können von IceCube in „Echtzeit“ nachgewiesen werden, aber die Anlage kann dies derzeit nicht für Tau-Neutrinos tun. Um diese besonderen kosmischen Geister zu finden, muss man sich durch ein Jahrzehnt von Archivdaten wühlen. Doch anstatt die ganze Scooby-Doo-Bande zu jagen, trainierte das Team so genannte „bildklassifizierungsoptimierte neuronale Netze“, um fast zehn Jahre IceCube-Daten, die zwischen 2011 und 2020 gesammelt wurden, nach Tau-Neutrinosignaturen zu durchsuchen.
Dies führte zu sieben starken Tau-Neutrinokandidaten-Nachweisen.
Das Team behält sich die Möglichkeit vor, dass es sich bei diesen Entdeckungen um eine Fehlidentifikation handelt, aber Cowen erklärte, dass die Wahrscheinlichkeit, dass der von DOM entdeckte Hintergrund dieses Signal nachahmt, nur 1 zu 3,5 Millionen beträgt.
Für die aktuellen Ergebnisse wurden nur drei Stränge von DOM-Detektoren verwendet, aber zukünftige Analysen werden sich auf mehr dieser eisigen, goldenen Perlen stützen. Dies wird nicht nur die Stichprobe der entdeckten Tau-Neutrinos vergrößern, sondern könnte den Wissenschaftlern auch helfen, die allererste Drei-Generationen-Studie der Neutrino-Oszillationen durchzuführen. Dabei handelt es sich um das Phänomen, bei dem Neutrinos auf ihrer Reise über riesige kosmologische Entfernungen die Geschmacksrichtung wechseln.
Das Verständnis der Neutrino-Oszillationen könnte der Schlüssel sein, um herauszufinden, wie diese Geisterteilchen erzeugt werden, welche Ereignisse sie überhaupt erst durch den Weltraum rasen lassen und warum sie im Laufe der Zeit in die folgenden Generationen übergehen.
„Alles in allem ist diese aufregende Entdeckung mit der faszinierenden Möglichkeit verbunden, Tau-Neutrinos für die Entdeckung neuer physikalischer Phänomene zu nutzen“, so Cowen abschließend.
Die Forschungsergebnisse des Teams sind auf dem Paper Repository arXiv zu finden und wurden zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Physical Review Letters angenommen.
