Hochenergetische Neutrinos aus dem Weltraum

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IceCube ist ein Mehrzweckdetektor, der es Forschern erlaubt, verschiedene offene Fragen der modernen Physik zu untersuchen, darunter z.B. die Beschaffenheit der dunklen Materie und Neutrinooszillationen. Der Hauptgrund für den Bau des Detektors war aber die Suche nach sehr hochenergetischen Neutrinos, die uns helfen können, die Quellen und Eigenschaften der kosmischen Strahlung zu verstehen.

Ein großer Teil der Strahlung in unserem Universum kommt nicht von Sternen sondern aus extremeren Objekten, wie Supernovae, Pulsaren und Gammastrahlungsausbrüchen (gamma-ray bursts). Diese Objekte, die ihre Energie aus der Gravitation eines Neutronensterns oder eines Schwarzen Loches beziehen, sind in der Lage Teilchen der kosmischen Strahlung auf Energien zu beschleunigen, die über eine Million mal größer sind, als alles was derzeit mit Teilchenbeschleunigern auf der Erde erreichbar ist.

Das Spektrum der kosmischen Strahlung folgt annähernd einer Abfolge von drei Potenzgesetzen. Die "Knicke" an den Übergängen werden als "Knie" und "Knöchel" bezeichnet. Abweichungen vom einfachen Potenzgesetz zwischen Knie und Knöchel deuten auf den Übergang zwischen galaktischer und extra-galaktischer kosmischer Strahlung hin.

Seit den 1960-er Jahren, haben Wissenschaftler vermutet, dass diese Umgebungen auch Neutrinos produzieren, die man—genau wie Licht in Teleskopen—verwenden kann, um den Weltraum zu erforschen. Bald musste man jedoch feststellen, dass dazu Detektoren in der Größenordnung von Kubikkilometern notwendig sind.

IceCube, ein Neutrino-Observatorium am Südpol, ist der erste Detektor dieser Art. Er wurde gebaut, um Neutrinos aus den extremsten astrophysikalischen Quellen unseres Universums zu beobachten.

Zur Erinnerung: IceCube registriert Neutrinos mit typischen Energien von über 50 GeV. Als Faustregel kann man sagen, dass Neutrinos deren Energien unter einigen TeV liegen, höchst wahrscheinlich atmosphärischen Ursprungs sind, also bei dem Zusammenstoß kosmischer Strahlung mit der Atmosphäre entstanden sind. Jene mit höheren Energien entstammen eher extraterrestrischen Quellen.

Aber man kann sich IceCube auch als gigantischen Myon-Detektor vorstellen, da er vor allem Myonen registriert, und zwar knapp eine Million für jedes beobachtete Neutrino. Auch die meisten dieser Myonen entstehen durch die kosmische Strahlung in der Atmosphäre.

 

Wie filtert man nun die Neutrinos von außerhalb des Sonnensystems heraus?

Wissenschaftler sprechen bei allen Signalen im Detektor, für die sie sich bei einer bestimmten Untersuchung nicht interessieren, von "Untergrund". Das Wort "Signal" ist für die gesuchte Information reserviert.

In der Masterclass-Analyse kommen unsere Signale von jenen Neutrinos, die in denselben kosmischen Beschleunigern entstehen, die auch für die Entstehung der kosmischen Strahlung verantwortlich sind. Den Untergrund bilden hauptsächlich Neutrinos und Myonen aus der Atmosphäre.

 Auswahlkriterien. Welche charakteristischen Eigenschaften von IceCube-Ereignissen kann man nutzen, um das Signal vom Untergrund zu trennen?

Tipp. Denk an solche Parameter wie Energie, Richtung oder die Form des Ereignisses in IceCube. Diese Anzeige kann dir helfen, wichtige Eigenschaften zu erkennen.

 Hier kannst du nachlesen, welche Auswahl die Forscher von IceCube getroffen haben (suche nach "Event Selection," auf Seite 7).

Sieht einfach aus, oder? Lass uns mal schauen, wie gut es dir gelingt nachzuvollziehen, wie diese Auswahl funktioniert.  Teilchen-Quiz: Neutrinoauswahl in IceCube.

 

The Starting Track Analysis: A search for very high energy neutrinos in IceCube

So ist die IceCube-Kollaboration in einer kürzlich in Science veröffentlichten Studie an das Problem heran gegangen: Man suchte nach einem Fluss sehr hochenergetischer Neutrinos, indem man sich nur diejenigen Ereignisse anschaute, deren Spuren innerhalb des Detektors begannen.

Würde ein solcher Fluss gefunden, wäre es die erste Messung eines sehr hochenergetischen Neutrinoflusses überhaupt. Zwei Fragen mussten beantwortet werden:

1) Entstanden diese Neutrinos außerhalb unseres Sonnensystems?

2) Können wir die genaue Richtung zu ihrer Quelle bestimmten?

 

Werfen wir einen Blick auf die ausgewählten Ereignisse.

In einigen Millionen Ereignissen, die zwischen dem Mai 2010 und dem Mai 2012 von IceCube aufgezeichnet wurden, fand man 28 sehr hochenergetische Neutrinos. Es wurden nur Ereignisse gezählt, deren Spuren im Detektor beginnen und deren rekonstruierte Energie über 30 TeV liegt.

Wirf einen ersten Blick auf die 28 Neutrino-Ereignisse. Kannst du sagen, welche davon die höchsten Energien hatten?

  Nun nimm dir etwas Zeit. Hier kannst du dir die 28 Neutrinos, zusammen mit einigen Fakten zu jedem einzelnen von ihnen, genauer ansehen.

Kommen wir nun auf die eingangs gestellten Fragen zurück. Wie können wir feststellen, ob diese Neutrinos von außerhalb unseres Sonnensystems kommen?

Tipp. Im Team von IceCube arbeiten Theoretiker und Experimentalphysiker zusammen.

Definieren wir nun die entscheidenden Eigenschaften unseres Neutrinoflusses und schauen wir uns Grafiken zu ihnen an. Überlege dir ob/warum ein Signal mit Untergrundereignissen kompatibel ist. Sieh dir den Vergleich zwischen Messdaten und Simulationen an und erfahre, wie sich eine Änderung des Energiekriteriums auf die Verteilungen auswirkt.

Kann man sich sicher sein, dass es sich um extraterrestrische hochenergetische Neutrinos handelt? Können wir etwas über die Signifikanz des Ergebnisses aussagen?

Tipp. Wie könnte eine höhere Statistik unsere Ergebnisse verbessern? Wie könnte man eine getroffene Hypothese teilweise oder ganz widerlegen?

Nun sind wir soweit, uns der zweiten Frage zu widmen: Sind wir in der Lage die Richtung zum Ursprung dieser Neutrinos zu finden?

 

Glückwunsch! Du konntest den Weg zu einer echten Entdeckung der IceCube-Kollaboration nachvollziehen, die im November 2013 in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde. 

 

Weiterführende Informationen:

Ein Artikel über die Analyse auf der IceCube-Homepage.

IceCube: A Giant Frozen Neutrino Catcher, Blogeintrag von Matt Strassler