Mithilfe von Supernovae die seltsamen Eigenschaften von Neutrinos untersuchen

In einer neuen Studie haben Forscher einen wichtigen Schritt zum Verständnis gemacht, wie explodierende Sterne dazu beitragen können, aufzudecken, wie Neutrinos, mysteriöse subatomare Teilchen, heimlich mit sich selbst interagieren.

Als eines der weniger gut verstandenen Elementarteilchen interagieren Neutrinos selten mit normaler Materie und bewegen sich stattdessen unsichtbar mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch sie hindurch. Diese geisterhaften Teilchen sind zahlreicher als alle Atome im Universum und bewegen sich immer harmlos durch unseren Körper. Aufgrund ihrer geringen Masse und dem Fehlen einer elektrischen Ladung kann es jedoch äußerst schwierig sein, sie zu finden und zu untersuchen.

Aber in einer heute in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Briefe zur körperlichen UntersuchungForscher der Ohio State University haben einen neuen Rahmen geschaffen, der detailliert beschreibt, wie Supernovae – massive Explosionen, die den Tod kollabierender Sterne ankündigen – als leistungsstarke Werkzeuge zur Untersuchung eingesetzt werden könnten, wie Neutrino-Selbstwechselwirkungen enorme kosmologische Veränderungen im Universum verursachen können.

„Neutrinos haben nur sehr geringe Wechselwirkungsraten mit typischer Materie, daher ist es schwierig, sie zu entdecken und ihre Eigenschaften zu testen“, sagte Po-Wen Chang, Hauptautor der Studie und Doktorand der Physik an der Ohio State. „Deshalb müssen wir Astrophysik und Kosmologie nutzen, um interessante Phänomene über sie zu entdecken.“

Neutrinos gelten als wichtig für die Entstehung des frühen Universums und geben Wissenschaftlern immer noch Rätsel auf, obwohl sie erfahren haben, dass sie aus einer Reihe von Quellen stammen, beispielsweise aus Kernreaktoren oder dem Inneren sterbender Sterne.

Durch Berechnungen, wie sich Selbstinteraktionen auf das Neutrinosignal der Supernova 1987A auswirken würden, der nächsten in der Neuzeit beobachteten Supernova, fanden Forscher heraus, dass Neutrinos, wenn sie mit sich selbst interagieren, eine eng gekoppelte Flüssigkeit bilden, die sich unter der relativistischen Hydrodynamik ausdehnt – einem Zweig der Physik Hier geht es darum, wie sich Strömungen auf zwei verschiedene Arten auf feste Objekte auswirken.

Im Fall eines sogenannten „Burst-Ausflusses“ geht das Team davon aus, dass ein Ausbruch eine Neutrinoflüssigkeit erzeugt, die sich in alle Richtungen bewegt, ähnlich wie das Platzen eines unter hohem Druck stehenden Ballons im Vakuum des Weltraums Energie nach außen drücken würde. Der zweite Fall, der als „Windausfluss“ beschrieben wird, stellt sich einen unter hohem Druck stehenden Ballon mit vielen Düsen vor, aus dem Neutrinos mit einer konstanteren Strömungsgeschwindigkeit entweichen, ähnlich einem Strahl stetigen Windes.

Während die Theorie des Windausflusses eher in der Natur vorkommt, sagte Chang, könnten Wissenschaftler, wenn der Burst-Fall realisiert wird, neue beobachtbare Neutrinosignaturen sehen, die von Supernovae emittiert werden, was eine beispiellose Empfindlichkeit gegenüber Neutrino-Selbstwechselwirkungen ermöglicht.

Einer der Gründe, warum es so wichtig ist, diese Mechanismen zu verstehen, besteht darin, dass Neutrinos, wenn sie als Flüssigkeit agieren, zusammen, als Kollektiv, agieren. Und wenn die Eigenschaften von Neutrinos als Kollektiv anders sind als einzeln, dann könnte sich auch die Physik von Supernovae verändern. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob diese Änderungen ausschließlich auf den Burst-Fall oder den Outflow-Fall zurückzuführen sind.

„Die Dynamik von Supernovae ist kompliziert, aber dieses Ergebnis ist vielversprechend, denn mit der relativistischen Hydrodynamik wissen wir, dass es eine Weggabelung gibt, um zu verstehen, wie sie jetzt funktionieren“, sagte Chang.

Dennoch müssen weitere Untersuchungen durchgeführt werden, bevor Wissenschaftler die Möglichkeit ausschließen können, dass der Explosionsfall auch innerhalb von Supernovae auftritt.

Trotz dieser Unsicherheiten sei die Studie ein großer Meilenstein bei der Beantwortung der jahrzehntealten astrophysikalischen Frage, wie Neutrinos tatsächlich streuen, wenn sie aus Supernovae ausgestoßen werden, sagte John Beacom, Co-Autor der Studie und Professor für Physik und Astronomie an der Ohio State. Diese Studie ergab, dass im Burst-Fall eine beispiellose Empfindlichkeit gegenüber Neutrino-Selbstwechselwirkungen möglich ist, selbst mit spärlichen Neutrino-Daten von SN 1987A und konservativen Analyseannahmen.

„Dieses Problem ist seit 35 Jahren im Grunde ungelöst geblieben“, sagte Beacom. „Obwohl wir nicht vollständig klären konnten, wie Neutrinos Supernovae beeinflussen, freuen wir uns, dass wir einen wesentlichen Schritt nach vorne machen konnten.“

Das Team hofft, dass ihre Arbeit in Zukunft als Sprungbrett für die weitere Untersuchung der Selbstinteraktionen von Neutrinos dienen wird. Da in der Milchstraße jedoch nur etwa zwei bis drei Supernovae pro Jahrhundert auftreten, müssen die Forscher wahrscheinlich noch Jahrzehnte warten, um genügend neue Neutrinodaten zu sammeln, um ihre Ideen zu beweisen.

„Wir beten immer dafür, dass bald irgendwo eine weitere galaktische Supernova passiert, aber das Beste, was wir tun können, ist, so viel wie möglich auf dem aufzubauen, was wir wissen, bevor es passiert“, sagte Chang.