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Elementarteilchen stammt aus drei Milliarden Lichtjahren entfernter Galaxie / Schwarzes Loch als Teilchenbeschleuniger
Eine internationale „astronomische Ringfahndung“ wurde von Erfolg gekrönt: Ein Forscherteam hat erstmals eine kosmische Quelle energiereicher Neutrinos geortet. Auslöser der Suche war ein einzelnes hochenergetisches Neutrino, das am 22. September 2017 im Eis der Antarktis durch das Neutrino-Teleskop IceCube nachgewiesen worden war. Teleskope auf der Erde und im Weltraum ermittelten anschließend den Ursprung dieses Elementarteilchens. Er liegt in einer drei Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie im Sternbild Orion, in der ein gigantisches Schwarzes Loch auf natürliche Weise Teilchen beschleunigt. An der Kampagne waren weltweit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 16 astronomischen Observatorien beteiligt. Unter den Forschern sind auch Prof. Dr. Sebastian Böser und Prof. Dr. Lutz Köpke vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), das seit 1999 dem IceCube-Konsortium angehört. Die Ergebnisse dieser gemeinsamen Suche wurden aktuell in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Die IceCube-Forscher durchsuchten nach dieser Entdeckung ihre Daten der vergangenen zehn Jahre im Hinblick auf frühere Messungen von Neutrinos aus der festgestellten Richtung. Tatsächlich fanden sie für den Zeitraum von September 2014 bis März 2015 einen merklichen, zeitweiligen Neutrino-Überschuss. Die Wahrscheinlichkeit, dass es sich beim diesem Überschuss lediglich um einen statistischen Ausreißer handelt, ist sehr gering und wird auf 1 zu 5000 geschätzt. Über dieses Ergebnis wird in einem zweiten Artikel in der derselben Ausgabe von Science berichtet.
Die Kampagnen, die unter Federführung von Forschern in Deutschland durchgeführt wurden, liefern auch den ersten stichhaltigen Beleg für einen Herkunftsort der energiereichsten Teilchen im Weltall, vorwiegend Protonen, die als kosmische Strahlung fortwährend auf die Erdatmosphäre treffen. Energiereiche kosmische Neutrinos sind dabei ein äußerst hilfreicher Indikator, da sie über größte Entfernungen ohne Richtungsänderung unbeschadet zu uns gelangen können. Die Beobachtung des einzelnen Neutrinos bestätigt, dass sogenannte aktive Galaxien mit einem extrem schweren Schwarzen Loch im Zentrum auch die Beschleuniger der kosmischen Teilchen sind.
Die abgestimmte Beobachtungsaktion gilt bei Experten als wichtiger Erfolg der noch jungen „Astronomie mit verschiedenen Informationsträgern“ wie elektromagnetische Strahlung, Neutrinos und Gravitationswellen, die durch verschiedene Detektoren und Teleskope auf der ganzen Welt und im Weltraum aufgespürt werden. „Dies ist ein entscheidender Schritt vorwärts, der erst durch eine hervorragende Vernetzung und den automatischen Informationsaustausch zwischen den Observatorien möglich wurde“, sagt Sebastian Böser.
Das internationale IceCube-Team besteht aus rund 300 Wissenschaftlern aus zwölf Ländern und wird unter der Federführung der US-amerikanischen National Science Foundation betrieben. Deutschland stellt nach den USA das zweitstärkste Kontingent des Teams. Neben Forschern des Deutschen Elektronen-Synchrotons (DESY) sind neun deutsche Universitäten beteiligt: die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, die Humboldt-Universität zu Berlin, die Ruhr-Universität Bochum, die Technische Universität Dortmund, die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die Universität Münster, die Technische Universität München und die Bergische Universität Wuppertal.
„Erfolgreiche Forschungsverbünde zeichnen sich durch eine gelebte Schwarmintelligenz und eine ideenreiche Zusammenarbeit in allen Bereichen aus“, bemerkt Lutz Köpke zu dem Kooperationsprojekt. „Dazu haben Doktoranden von der Universität Mainz unter anderem essenzielle Algorithmen zur präzisen Bestimmung des Herkunftsorts beigesteuert.“
Neutrinos, die Geisterteilchen im Standardmodell der Physik
Neutrinos werden unter anderem bei der Kernfusion im Innern der Sonne erzeugt. Eine Fläche so groß wie ein menschlicher Daumennagel durchfliegen in jeder Sekunde rund 60 Milliarden Sonnen-Neutrinos, allerdings ohne irgendeine Spur zu hinterlassen. Ihre geringe Reaktionsneigung macht den Nachweis dieser „Geisterteilchen“ extrem aufwendig und erfordert gewaltige Detektoren, um wenigstens ein paar der seltenen Reaktionen nachzuweisen. Für den IceCube-Detektor haben Forscher darum 86 Löcher ins Eis der Antarktis gebohrt, jedes 2500 Meter tief. In diese Löcher haben sie, verteilt über einen vollen Kubikkilometer, 5160 Lichtsensoren versenkt. Diese Sensoren registrieren die winzigen Lichtblitze, die bei den seltenen Neutrino-Reaktionen im Eis entstehen.
Vor fünf Jahren hatte IceCube zwar zum ersten Mal kosmische Neutrinos nachgewiesen, die weit höhere Energien als Sonnen-Neutrinos haben und daher von diesen unterscheidbar sind. Jedoch konnten die Wissenschaftler bis zu dem jetzigen „Fahndungserfolg“ keine Neutrino-Quelle orten.
Die Arbeitsgruppen von Böser und Köpke suchen unter anderem nach Neutrinos aus Supernovae und übermitteln mögliche Hinweise innerhalb von Minuten an andere Experimente. Sie untersuchen außerdem mit hoher Präzision Neutrinos, die in der Erdatmosphäre entstehen und die genutzt werden können, um Neutrino-Eigenschaften deutlich genauer zu bestimmen und Abweichungen vom Standardmodell der Elementarteilchen zu finden. Schließlich vermessen sie die Eigenschaften von kosmischen Neutrinos. „Wir schöpfen dabei die Daten in all ihren Feinheiten mit komplexen Algorithmen aus, um die Richtungen, Energien und die Art der nachgewiesenen Neutrinos genauer zu bestimmen. Außerdem entwickeln wir neue optische Sensoren für zukünftige Neutrino-Detektoren im Eis und deren Eichung“, bemerkt Sebastian Böser.
Ab Herbst 2018 wird der Mainzer Physiker Dr. Benjamin Eberhardt ein Jahr am Südpol verbringen, wo er sich darum kümmern wird, dass das Experiment und die entsprechende Computertechnik des IceCube-Observatoriums fehlerfrei funktionieren.
Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_etap_icecube_neutrino_herkunft_0...
Polarlicht und Sternenhimmel bei der IceCube-Forschungsstation im antarktischen Winter
Foto/©: Martin Wolf, IceCube/NSF (2017)
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_etap_icecube_neutrino_herkunft_0...
Ein IceCube-Forscher vor der IceCube-Forschungsstation im antarktischen Winter, hier mit Polarlicht, Sternenhimmel und einem Lidar-Laserstrahl zu Vermessung der Atmosphäre
Foto/©: Martin Wolf, IceCube/NSF (2017)
Veröffentlichungen:
The IceCube Collaboration, Fermi-LAT, MAGIC, AGILE, ASAS-SN, HAWC, H.E.S.S., INTEGRAL, Kanata, Kiso, Kapteyn, Liverpool Telescope, Subaru, Swift/NuSTAR, VERITAS, VLA/17B-403 teams
Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A
Science, 12. Juli 2018
DOI: 10.1126/science.aat1378
http://science.sciencemag.org/content/early/2018/07/11/science.aat1378
IceCube Collaboration
Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert
Science, 12. Juli 2018
DOI: 10.1126/science.aat2890
http://science.sciencemag.org/content/early/2018/07/11/science.aat2890
Kontakt:
Prof. Dr. Sebastian Böser
Experimentelle Teilchen- und Astroteilchenphysik (ETAP)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23865
E-Mail: sboeser@uni-mainz.de
https://www.prisma.uni-mainz.de/deu/1107.php
Prof. Dr. Lutz Köpke
Experimentelle Teilchen- und Astroteilchenphysik (ETAP)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-22894
E-Mail: lutz.koepke@uni-mainz.de
https://www.etap.physik.uni-mainz.de/prof-lutz-kopke/
Weiterführende Links:
https://icecube.wisc.edu/ - IceCube Kollaboration
http://www.desy.de/ - Pressemeldung des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY
https://www.etap.physik.uni-mainz.de/ – Experimentelle Teilchen- und Astroteilchenphysik, Institut für Physik der JGU
Lesen Sie mehr:
http://www.uni-mainz.de/presse/58532.php - Pressemitteilung „IceCube liefert Anzeichen für Neutrinos aus dem Kosmos (22.11.2013)
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, jedermann
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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