Von einem Observatorium in der Antarktis gesammelte Daten haben unseren ersten Blick auf die Milchstraße durch die Linse von Neutrinoteilchen ermöglicht. Es ist das erste Mal, dass wir unsere Galaxie mit einem Teilchen „bemalt“ sehen, und nicht mit Licht verschiedener Wellenlängen.
Das Ergebnis, veröffentlicht in Wissenschaft, bietet Forschern ein neues Fenster zum Kosmos. Es wird angenommen, dass die Neutrinos zum Teil durch hochenergetische, geladene Teilchen, sogenannte kosmische Strahlen, erzeugt werden, die mit anderer Materie kollidieren. Aufgrund der Grenzen unserer Nachweisausrüstung wissen wir immer noch nicht viel über die kosmische Strahlung. Daher sind Neutrinos eine weitere Möglichkeit, sie zu untersuchen.
Seit der Antike wird spekuliert, dass die Milchstraße, die wir am Nachthimmel sehen, aus Sternen wie unserer Sonne besteht. Im 18. Jahrhundert erkannte man, dass es sich um eine abgeflachte Sternenplatte handelte, die wir von innen betrachten. Erst vor 100 Jahren erfuhren wir, dass die Milchstraße tatsächlich eine Galaxie oder ein „Inseluniversum“ ist, eine von hundert Milliarden anderen.
Im Jahr 1923 wurde der amerikanische Astronom Edwin Hubble identifizierte eine Art pulsierenden Stern namens „Cepheid-Variable“ im damaligen Andromeda-„Nebel“ (einer riesigen Wolke aus Staub und Gas). Dank der früheren Arbeit von Henrietta Swan Leavitt lieferte dies ein Maß für die Entfernung von der Erde zu Andromeda.
Dies zeigte, dass Andromeda eine weit entfernte Galaxie wie unsere eigene ist, was eine langjährige Debatte beilegte und unsere Vorstellung von unserem Platz im Universum völlig veränderte.
Fenster öffnen
Als sich später neue astronomische Fenster zum Himmel öffneten, haben wir unsere galaktische Heimat in vielen verschiedenen Lichtwellenlängen gesehen – in Radiowellen, in verschiedenen Infrarotbändern, in Röntgenstrahlen und in Gammastrahlen. Jetzt können wir unseren kosmischen Aufenthaltsort in Neutrinoteilchen erkennen, die eine sehr geringe Masse haben und nur sehr schwach mit anderer Materie interagieren – daher ihr Spitzname „Geisterteilchen“.
Neutrinos werden von unserer Galaxie emittiert, wenn kosmische Strahlung mit interstellarer Materie kollidiert. Neutrinos werden jedoch auch von Sternen wie der Sonne, einigen explodierenden Sternen oder Supernovas und wahrscheinlich von den meisten Hochenergiephänomenen, die wir im Universum beobachten, wie Gammastrahlenausbrüchen und Quasaren, erzeugt. Daher können sie uns einen beispiellosen Einblick in hochenergetische Prozesse in unserer Galaxie gewähren – einen Einblick, den wir mit Licht allein nicht gewinnen können.
Für die neue Durchbrucherkennung war ein ziemlich seltsames „Teleskop“ erforderlich, das mehrere Kilometer tief in der antarktischen Eiskappe unter dem Südpol vergraben ist. Der IceCube-Neutrino-Observatorium nutzt eine Gigatonne des ultratransparenten Eises unter enormem Druck, um eine Energieform namens Tscherenkow-Strahlung nachzuweisen.
Diese schwache Strahlung wird von geladenen Teilchen emittiert, die sich im Eis schneller als Licht fortbewegen können (jedoch nicht im Vakuum). Die Teilchen entstehen durch einfallende Neutrinos, die aus Kollisionen kosmischer Strahlung in der Galaxie stammen und auf die Atome im Eis treffen.
Kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus Protonenteilchen (diese bilden zusammen mit Neutronen den Atomkern), zusammen mit einigen schweren Kernen und Elektronen. Vor etwa einem Jahrhundert wurde entdeckt, dass diese aus allen Richtungen gleichmäßig auf die Erde herabregnen. Wir kennen noch nicht genau alle ihre Quellen, da ihre Ausbreitungsrichtung durch Magnetfelder im Raum zwischen den Sternen gestört wird.
Tief im Eis
Neutrinos können als einzigartige Tracer der Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung tief in der Milchstraße fungieren. Die geisterhaften Teilchen entstehen jedoch auch, wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft. Daher benötigten die Forscher, die die IceCube-Daten verwendeten, eine Möglichkeit, zwischen Neutrinos „astrophysikalischen“ Ursprungs – solchen, die aus außerirdischen Quellen stammen – und solchen, die durch Kollisionen kosmischer Strahlung in unserer Atmosphäre entstanden sind, zu unterscheiden.
Die Forscher konzentrierten sich auf eine Art Neutrino-Wechselwirkung im Eis, die Kaskade genannt wird. Diese führen zu annähernd kugelförmigen Lichtschauern und ermöglichen den Forschern eine bessere Empfindlichkeit gegenüber den astrophysikalischen Neutrinos aus der Milchstraße. Dies liegt daran, dass eine Kaskade eine bessere Messung der Energie eines Neutrinos ermöglicht als andere Arten von Wechselwirkungen, auch wenn diese schwieriger zu rekonstruieren sind.
Die Analyse von IceCube-Daten aus zehn Jahren mithilfe hochentwickelter Techniken des maschinellen Lernens ergab fast 60.000 Neutrino-Ereignisse mit einer Energie über 500 Gigaelektronenvolt (GeV). Davon waren nur etwa 7 % astrophysikalischen Ursprungs, der Rest war auf die „Hintergrundquelle“ von Neutrinos zurückzuführen, die in der Erdatmosphäre erzeugt werden.
Die Hypothese, dass alle Neutrino-Ereignisse auf kosmische Strahlung zurückzuführen sein könnten, die auf die Erdatmosphäre trifft, wurde bei einem statistischen Signifikanzniveau von 4,5 Sigma endgültig zurückgewiesen. Anders ausgedrückt: Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei unserem Ergebnis um einen Zufall handelt, beträgt nur etwa 1 zu 150.000.
Dies liegt ein wenig unter dem herkömmlichen 5-Sigma-Standard für die Behauptung einer Entdeckung in der Teilchenphysik. Eine solche Emission aus der Milchstraße wird jedoch aus soliden astrophysikalischen Gründen erwartet.
Mit der bevorstehenden Erweiterung des Experiments –IceCube-Gen2 wird zehnmal größer sein – wir werden viel mehr Neutrino-Ereignisse erfassen und das derzeit verschwommene Bild wird sich in eine detaillierte Ansicht unserer Galaxie verwandeln, die wir noch nie zuvor hatten.
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