Neutrinoastronomie in der Antarktis

Fast hundert Jahre nach der Vorhersage von Neutrinos sind wir heute in Lage, diese faszinierenden Elementarteilchen als Boten aus dem All zu nutzen. Sie helfen uns, die extremsten Phänomene im Universum verstehen. IceCube ist das erste Neutrinoteleskop, kritische Größe erreicht hat, um Neutrinosignale messen. Damit lassen sich Schlüsse über ihre Herkunft und Eigenschaften ihrer Quellen ziehen. Die nächste Generation Neutrinoteleskopen wird uns darauf aufbauend erlauben, den Neutrinohimmel präzise vermessen ein neues tieferes Verständnis für Sternenexplosionen, aktive Galaxien andere energiereiche Vorgänge entwickeln. Zusätzlich ermöglichen riesigen Detektoren einzigartige Suchen neuen physikalischen Phänomenen Teilchen. Nach zehn Jahren könnte große Zeit Neutrinoastronomie noch vor liegen. Vor ging Antarktis Neutrinoteleskop Betrieb. Bis wurden damit kosmischen „Beschleunigern“ nachgewiesen. In einem Fall ließ eine Galaxie mögliche Quelle identifizieren. Als Wolfgang Pauli seinem berühmten Brief an Gruppe deutscher Kernphysiker 1930 Neutrino neues, bisher unentdecktes Teilchen postulierte, scheute er davor, Idee publizieren. Zu vage erschien ihm Aussicht, solch je experimentell nachweisen können. Er hätte wahrscheinlich nicht einmal davon geträumt, dass seine fast Jahrhundert später genutzt würden, studieren. Schon ihrem ersten Nachweis 1956 Kernreaktor durch Clyde Cowen Frederick Reines (Physik-Nobelpreis 1995) war klar, faszinierende haben, sie allen anderen bekannten unterscheiden. Elektrisch neutral, nur schwach mit Atomkernen ihren Elektronenhüllen wechselwirkend, – wie wissen fast, aber ganz masselos, können selbst undurchdringlich erscheinende Objekte durchqueren. Genau Eigenschaft macht so wertvoll einzigartig Astrophysik: Gebieten des Universums erreichen, denen kein Licht, egal welcher Wellenlänge, dringen kann. Geburtsstunde schlug Prinzip schon späten 1960er-Jahren. Im Homestake-Experiment wies Raymond Davis 2002) zum Mal Kernfusionsprozessen Inneren Sonne nach, womit deren Energieerzeugungsmechanismus direkt bestätigt wurde (siehe Artikel Kai Zuber diesem Heft). Weder Erde stellen dabei ernstzunehmendes Hindernis da. Sonnenneutrinos erreichen auch nachts, wäre Kugel sehr dünnen Gases. Moderne Neutrinoteleskope haben jedoch Beobachtung ihr Hauptziel. dienen Untersuchung Ereignisse Universum: Sternexplosionen (Supernovae) ihnen ausgelösten interstellaren Schockwellen, Umgebung supermassereichen Schwarzen Löchern Zentrum Interview Reinhard Genzel Heft), Regionen fremden Galaxien, pro Jahr mehr Sterne geboren werden Milchstraße ganzen Jahrhundert, Verschmelzung Neutronensternen. Bei all diesen Objekten Ereignissen gewaltige Energiemengen freigesetzt. Und Energie signifikanten Teil hochenergetische Kerne umgewandelt. Daher nennt man Körper kosmische Teilchenbeschleuniger. Energien, werden, unsere Teilchenbeschleuniger auf Large Hadron Collider (LHC) am CERN Genf unvorstellbar: Während LHC Energien 14 TeV (Teraelektronenvolt, also Energie, Proton Durchlaufen eines Potentialgefälles 1,4 ⋅1013 V hat) produzieren Beschleuniger Protonen schwerere jenseits 108 TeV. Wir extremen da hierbei entstehenden, hochenergetischen kontinuierlich Strahlung Instrumenten Pierre-Auger-Observatorium Argentinien beobachten, wenn Atmosphäre treffen dort Schauer geladener auslösen. Bevor Millionen oder sogar Milliarden lang gereist. Dabei Magnetfeldern einer geraden Ausbreitungsrichtung abgelenkt worden kaum Entstehungsort zurückverfolgen. Diesen erforschen, Hauptaufgaben Neutrinoastronomie. Hochenergetische Neutrinos, Wechselwirkungen beschleunigten nahe Entstehungsorte erzeugt direktem Weg. Dies geschieht Fällen, elektromagnetische entweichen verraten Ursprungsort zusammen „klassischen“ Beobachtungen entsprechenden Spektralbereichen Radiowellen bis Gammastrahlung viel Beschleunigungsmechanismen. steckt Kinderschuhen. Erst 2013 entdeckt, 2018 gelang es Mal, wahrscheinliche lokalisieren. 1970er-Jahren Durchdringungsfähigkeit größte Herausforderung sein würde. Falls hochenergetisches doch einen Atomkern trifft, produziert geladene Teilchen, beim Durchgang Materie Lichtsignal liefern „Lichtblitze Eis“, S. 70). Würde genügend Menge transparenten Materials großen empfindlicher Lichtsensoren ausstatten, Lichtsignale messen daraus sowohl Herkunftsrichtung ableiten. Ein solches Teleskop besäße gewissermaßen integrierten Spektrographen gleichzeitig alle Richtungen schauen. Aber groß müsste solcher Detektor sein? Anhand Intensität lässt recht gut abschätzen, mindestens Milliarde Tonnen transparentes Material nötig sind. Selbst bei trifft mehreren zur Messung benötigten Lichtsignale. Das ist, vorausberechnet bestätigt, gerade genug, paar Man kann keinen schweren bauen, gelernt, nutzen, Natur Verfügung stellt: mehrere Kilometer dicken Eispanzer Antarktis. transparente da, muss „nur“ bestückt benötigte Volumen verteilt werden. Dazu befestigt jeweils langen Kabel, schmilzt kilometertiefes Loch Heißwasserbohrer ins Eis Kabel Sensoren wassergefüllte Bohrloch gleiten, bevor dieses wieder zufriert. Dann wiederholt Vorgang anderer Stelle, vorhanden sind, schwachen auszuwerten. ewigen 1980er-Jahren aufkam, sicherlich einigen Wissenschaftlern belächelt. Doch 1990er-Jahren konnte multinationale Forschergruppe unter Führung USA Prototyp-Teleskop AMANDA zeigen, dies möglich keine (dafür klein) beobachten. Aus Erfolg AMANADA 2000 geboren, Kubikkilometer sollte, basierend Weiterentwicklung getesteten Technologie (Physik unserer 2000, 31(2), 56). 2005 Baustart, sechs 2011 volle (Abbildungen 1 2) Betrieb genommen werden: 86 2,5 km tiefe Löcher waren neben Amundsen-Scott-Station geographischen Südpol gebohrt worden. Insgesamt 5160 optische nun eingefroren lieferten Neutrinos. Vorausgewertet Computern per Satellit jeden Tag Welt verteilten Wissenschaftler Auswertung verschickt. Besonders interessante Neutrinowechselwirkung (Ereignisse) innerhalb weniger Sekunden übermittelt ausgewertet ermöglicht es, besonders interessant erscheinenden Teleskope schnell auszurichten möglichen Signalen Himmelsbereich suchen, helfen, genauen So „Multimessenger“-Astronomie, Information verschiedenen Bereichen elektromagnetischen Spektrums kombiniert wird. IceCube-Labor antarktischen (Foto: Lidstrom, IceCube/NSF). Aufbau Neutrinoteleskops IceCube. Größenvergleich AMANDA-Array Eiffel-Turm eingezeichnet (Grafik: Coll.). Abbildung 3 zeigt vom aufgenommenen tatsächlichen Lichtpulse kurz schwach, menschliche Auge herkömmliche Kamera detektieren könnten. IceCubes verwenden dafür Photomultiplier Tubes (PMT), Signal einzelner Photonen registrieren Verstärkung messbar machen. Auch Ankunftszeit wenige Nanosekunden genau bestimmt Bild gezeigte stammt einzelnen Myon, geladenes Elementarteilchen, danach weit bewegen kann, zerfällt. Betrachten Bildes ungefähre Flug- Myons erkennen. entspricht winzige Abweichung Richtung ursprünglichen Computer-Algorithmen ungefähr 0,5° bestimmen. Mondes Himmel. Von detektiertes Neutrinowechselwirkung. Der Weg entstandenen anhand seiner verfolgt Zeitpunkt Lichts gemessen, hier dargestellt Farbe Kugeln. Jede repräsentiert optischen Sensor (aus [4]). Drei Fertigstellung soweit. IceCube-Kollaboration, internationales Team 300 Wissenschaftlern, Entdeckung Kosmos feiern. Um besser verstehen, müssen weitere Hürde sprechen, meistern haben: Nicht jedes Neutrino. Gegenteil: allermeisten Signale kommen atmosphärischen Myonen, Luftschauern entstehen, trifft. 3000 Sekunde dieser Art registriert Da Myonen können, kommenden leicht unterscheiden, wurden: Kommen unten, scheinbar Erde, verantwortlich sein. Nur Million registrierten kommt reicht immer zehntausend Jahr. meisten stammen ebenfalls Erdatmosphäre. produziert, diesmal Seite Erde. Wie unterscheiden „atmosphärischen“ Neutrinos? Dafür gibt zwei Möglichkeiten. Möglichkeit Energie. Energiebereich erstreckt weiter oben derjenige Wenn Neutrinoenergie 100 misst, Ursprung höchstwahrscheinlich kosmisch. zweite ergibt räumlichen Verteilung. Atmosphärische diffus Himmel verteilt, würde Punkt her Hintergrundneutrinos „überstrahlen“, ähnlich helle erkennen dunkel ist. Methoden führte Erfolg. Oberhalb 60 deutlich registriert, dürfen. Inzwischen annähernd 104 TeV, oberhalb Energiebereichs, atmosphärische erwartet. wer gehofft hatte, Herkunftsort verstehen Rätsel lösen, enttäuscht. Analysiert gemessen statistisch, findet bevorzugte gar einzelne Quellen. Verteilung statistisch kompatibel Gleichverteilung (Abbildung 4). darin Information: Würden bevorzugt eigenen kommen, sollten Häufung galaktischen Ebene sehen, genauso dunklen Nächten Band sieht. Eine starker Hinweis außerhalb Galaxie. Herkunftsrichtungen energiereichsten inklusive Multimessenger-Ereignisses Blazars TXS 0506+056. rechts berechnete Gammastrahlen-Emission sehen (nach [9]). herausragende Ziel besteht darin, individuelle Neutrinoquellen detektieren, identifizieren Signals Physik Letzlich dazu größere Instrumente notwendig großer Schritt vorwärts. etwa beobachtet, 0506+056 befindet. sitzt Schwarzes Sonnenmassen. saugt interstellares Gas an, rotierenden Scheibe Schwarze ansammelt verschwindet. potentiellen Gases wandelt sogenannte Jets um, kleiner angesaugten Lichtgeschwindigkeit intergalaktischen Raum hinausschießt. Solche aktiven lange potenzielle diskutiert, Beispiel Gammastrahlen charakteristische Strahlungsmuster irdischen Teilchenexperimenten kennt Synchrotronstrahlung, Bremsstrahlung etc. Zeigt Jet Blazar 5). speziellen Geometrie Emissionen bewegenden relativistische Effekte verstärkt, daher hervorragende Kandidaten, sehen. Grafik Zentrums Gasscheibe Staubwolken umgeben. einfallenden relativistischer verwandelt DESY, SciComLab). zeitgleich Gammastrahlen-Ausbruch was Assoziation zwischen verstärkt. Allerdings bleibt solchen kleine Restunsicherheit, Ereignisse, Gammastrahlungsausbruch, zufällig ohne kausalen Zusammenhang beobachtet wurden. erneute ähnlicher ähnlichen Blazaren Restunsicherheit beseitigen. Jedoch Bestätigung unser bester darauf, aktiver effiziente Einen wichtigen Aspekt jetzt behandelt. Obwohl Astrophysik konzipiert, einige Studien Struktur Raumzeit sowie Suche neuen, exotischen Kräften Phänomenen. Alleinstellungsmerkmale: Detektors, Reise hinter vier Lichtjahre entfernt –, natürlich selbst, wenigsten verstandene aller Neutrino, Wasserstoff- Sauerstoff-Atomkern wechselwirkt, Je Wechselwirkung Elektronen, Tauonen, Pionen Kernfragmente abgebremst, wobei produzieren: Teilchenschauer entsteht. Durch kurzzeitige Polarisation umliegenden Atome entsteht Tscherenkow-Licht, ausbreitet rechts). Unterschiedliche Tscherenkow-Lichtmuster, (links) Schauer, vornehmlich Elektronen Tau-Neutrinos (hier υθbezeichnet) ausgelöst (rechts). Lichtkegel erzeugen, verursachen punktförmige Lichtwelle. Kugelförmige Symbole: Sensoren. genaue Vermessung Atmosphäre, astrophysikalische Messungen unerwünschtes „Streulicht“ erlaubt beispielsweise sogenannten sterilen hypothetische Experimenten Teilchenbeschleunigern Hinweise gefunden wurden, überprüfen, ob neue unbekannte einwirken. erlauben darüber hinaus Überprüfung, eventuell Verletzungen Lorentz-Invarianz Relativitätstheorie gibt, manche Quantengravitationstheorien vorhersagen. Diese Beispiele Kürze Artikels leider vertiefen. eignet hervorragend dazu, bekannte grundsätzliche präziser vermessen. Es drei Sorten (Flavors) aufgrund quantenmechanischen untereinander oszillieren. produziertes Myon-Neutrino Elektron- Tau-Neutrino Parameter, Oszillation quantifizieren, gehören Beschleunigerexperimenten weltweit genauesten Messungen. Mai 2021 jährt Inbetriebnahme zehnten Mal. Zeit, Zukunft blicken. Neben Südpols eignen Tiefsee tiefste See Welt, Baikalsee, Neutrinoteleskope. Sowohl Mittelmeer Baikalsee gebaut (KM3NeT, GVD), ähnliche Leistung Nordhalbkugel befinden, abdecken Neutrinohimmels vervollständigen. hat begonnen. Mit 35 Mio. Euro kostenden Upgrade 2023 700 neuartige 6) Detektorvolumens installiert. primär fundamentalen Gleichzeitig Feldtest Detektortechnologie nächsten Ausbaustufe IceCube, genannt IceCube-Gen2 [10]. Herzstück Projekts, Planungsphase befindet, optisches Array acht Kubikkilometern sein, rund 10 000 weiterentwickelten ausgestattet wird, welche vorhandenen umschließen. dann, fünfmal schwächere nachzuweisen, momentan Neuartiger optischer IceCube-Upgrade Hinzu komplett neuer Detektor: 500 Quadratkilometer großes Feld Radioantennen, m tief Gletscher versenkt Antennen Teilchenschauern messen, verursacht neuartigen erschließt Energiebereich, effizient Zwar Radioantennen Vergleich: detektiert ersetzt dann Antennenstation tausend selten, Detektorvolumen benötigt, aufzuspüren. Deswegen einzig machbare Weg, erschließen. 7 Zeichnung geplanten IceCube-Gen2-Observatoriums. wissenschaftlichen Großprojekts, speziell logistisch klimatisch einfachen Bedingungen Südpols, Weile dauern. 2023. Mindestens notwendig, installieren. klimatischen Verhältnisse solche Arbeiten Monate planen 2033. Schematische Darstellung (mittlere Kontur) Phase (innere erweitert vergrößert (äußere Kontur). An Oberfläche sieht Teile Radiodetektoren, Horizont erstrecken DESY/SciComLab). Open Access Veröffentlichung organisiert Projekt DEAL. Markus Ackermann 2006 Humboldt-Universität Berlin DESY Vorgänger promoviert. Zwischen 2007 forschte SLAC National Accelerator Laboratory Menlo Park, Kalifornien, Bereich Gammastrahlungs-Astronomie. Seit leitet IceCube-Gruppe Fachbereich