Neutrino-ForschungForscher finden Hinweise auf kosmische Geisterteilchen

Erstmals haben Forscher extraterrestrische Neutrinos aufgespürt. Die Elementarteilchen könnten aus dem All stammen und helfen, große Fragen der Astronomie zu beantworten. von 

Das IceCube-Labor am Südpol im Mondlicht

Das IceCube-Labor am Südpol im Mondlicht  |  © Emanuel Jacobi/NSF

Die Geisterjäger schlummern in rund anderthalb bis zweieinhalb Kilometern Tiefe im ewigen Eis der Antarktis. 5.160 basketballgroße Kugeln aus Glas und Metall stecken im Boden nahe dem Südpol. Unter der Eisdecke formen sie einen gigantischen Würfel mit einer Seitenlänge von einem Kilometer. 

IceCube ist derzeit noch der größte Teilchendetektor, den der Mensch je installiert hat. Seine Kugeln sind Lichtsensoren, die seit 2010 blauen Leuchtschimmern hinterherjagen. Es sind die Signaturen von Phantomen. Zahllose davon umgeben uns und durchströmen nahezu in Lichtgeschwindigkeit zu jeder Zeit das All, die Erde und ihre Lebewesen: Neutrinos.

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Diese Elementarteilchen sind die Verkörperung des Nichts. Sie gleiten leichter durch die Materie als der Wind durch geöffnete Fenster. Selbst Astrophysiker nennen sie Geisterteilchen. Kein Elementarteilchen existiert in solch einer Fülle. Sie entstehen im Innern der Sonne, wenn Sterne explodieren, schwarze Löcher aufeinanderprallen oder Gammablitze zucken. 

Die großen Fragen der Astronomie

Da sie so gut wie nichts aufhält, streift ein Teil von ihnen seit dem Urknall vor mehr als 13 Milliarden Jahren durchs All. Deshalb sind Astrophysiker so scharf auf die Elementarteilchen. Sie sind bestenfalls Boten längst vergangener Zeiten. Sie könnten helfen, die großen Fragen der Astronomie zu beantworten: Wie entstand alles aus nichts? Was folgte auf den Urknall und wie entwickelte sich der Kosmos zu dem, was er heute ist?

Die Lichtfallen des IceCube-Detektors könnten greise Geisterteilchen aufspüren. Vielleicht haben sie es nun. Wie das geht? Äußerst selten stößt sich ein Neutrino an einem Atomkern. Passiert dies im frostigen Untergrund des Südpols, hinterlässt die Kollision zwischen Neutrino und Wassermolekül einen blauen Schimmer. Den können die sensibeln Lichtsensoren des IceCube-Detektors einfangen. Aus den Daten errechnen Computer die Energie der kollidierten Neutrinos.

Hunderttausende solcher Karambolagen hat IceCube schon aufgezeichnet. Denn in der irdischen Atmosphäre entstehen in jeder Sekunde unzählige Geisterteilchen durch ein Zusammenspiel mit kosmischer Strahlung. Diese jungen Neutrinos sind aber nicht sehr energiereich.

Elementarteilchen: Materie

Als Elementarteilchen werden all jene Bausteine bezeichnet, die (soweit Physiker wissen) nicht weiter zerlegbar sind.

Das bekannteste Elementarteilchen ist das Elektron, das gemeinsam mit den selteneren Myonen und Tauonen zu den Leptonen zählt. Neben diesen drei Leptonen gibt es noch drei unterschiedliche Neutrinos, die ebenfalls zu den Elementarteilchen zählen. Neutrinos entstehen etwa bei der Kernspaltung in Atomkraftwerken oder bei der Kernfusion in der Sonne.

Darüber hinaus gibt es sechs weitere Elementarteilchen, die Quarks. Aus ihnen bestehen etwa Protonen und Neutronen, aus denen der Kern eines Atoms aufgebaut ist.

Zusammen bilden diese insgesamt 12 Elementarteilchen die Grundbausteine der Materie. Entsprechend gibt es 12 Antiteilchen, die die Antimaterie bilden.

Kräfte

Nicht alle Elementarteilchen sind Bestandteil der Materie. Es gibt fünf weitere Elementarteilchen, die als Austauschteilchen Kräfte übertragen.

Das Gluon klebt Quarks im Atomkern zusammen, das Photon vermittelt die elektromagnetische Kraft. W-- und W+- Teilchen sowie Z-Teilchen spielen beim radioaktiven Zerfall eine Rolle.

Insgesamt gibt es daher also derzeit 29 Elementarteilchen, die im sogenannten Standardmodell der Teilchenphysik die Zusammensetzung der Welt erklären.

Higgs-Boson

Ein möglicher Kandidat für das 30. Elementarteilchen ist das Higgs-Boson, das Forscher mithilfe des Teilchenbeschleunigers LHC im Forschungszentrum Cern nachgewiesen haben.

Nach einer Theorie des britischen Physikers Peter Higgs aus den sechziger Jahren muss ein bislang unbekanntes Feld (Higgs-Feld) alles durchdringen und sämtlichen anderen Elementarteilchen ihre Masse verleihen. Der Physiker erhielt 2013 zusammen mit François Englert für seine Theorie den Nobelpreis.

Physiker vergleichen den Higgs-Mechanismus gerne mit einer Cocktailparty unter Politikern: Zu Anfang sind die Anwesenden gleichmäßig verteilt, doch sobald der Premierminister den Raum betritt, zieht er andere Politiker stark an und sammelt sie haufenartig um sich herum. Bewegt er sich im Laufe der Party durch den Raum, wenden sich ihm ständig neue Zuhörer zu, während andere die Menschentraube verlassen.

So erhält der Premierminister ein größeres Gewicht – und auf ähnliche Weise erzeugt das hypothetische Higgs-Feld die Masse der Elementarteilchen. Eine einst als unveränderlich angesehene Eigenschaft wie die Masse wäre demnach nur das Ergebnis einer Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld – eine seltsame Vorstellung, die aber für Physiker nichts Ungewöhnliches ist.

Mit demselben Bild lässt sich auch eine weitere Folgerung aus der Theorie erklären: Der Cocktailparty-Mechanismus funktioniert nämlich auch, wenn ein Gerücht den Raum durchquert. Darum scharen sich ebenfalls Zuhörer und verleihen ihm so eine (wenn auch flüchtige) Masse. Auf ähnliche Weise soll das Higgs-Feld ein Higgs-Teilchen hervorbringen. Dessen Nachweis ist somit der beste Beleg für die ganze Theorie.

Umso erstaunter waren die rund 260 Wissenschaftler der IceCubeCollaboration, als sie im April 2012 Spuren zweier Geisterteilchen entdeckten, die den ungewöhnlich hohen Energiewert von einem Peta-Elektronenvolt überschritten. Keine erdatmosphärischen Neutrinos würden wohl solche Werte erreichen.

Schneller als Teilchen im LHC

Die Forschergruppen aus acht Ländern tauften die beiden Elementarteilchenspuren auf die Namen Ernie und Bert. Sie suchten weiter und identifizierten in den IceCube-Daten 26 weitere energiereiche Ereignisse, die seit Inbetriebnahme des Teilchenfinders aufgetreten sind. Sie überschreiten alle eine Schwelle von 30 Tera-Elektronenvolt (ein Tera-Elektronenvolt sind ein Tausendstel Peta-Elektronenvolt). Damit sind auch sie um ein Vielfaches energiereicher als bislang von IceCube gemessene Neutrinospuren. Und sie sind weit schneller als alle Teilchen, die bislang im größten irdischen Beschleuniger, dem Genfer LHC, durch den Untergrundröhrenring geschickt wurden. Hier sind Protonen mit acht Tera-Elektronenvolt hindurchgesaust. Künftig soll die Geschwindigkeit noch 13 Tera-Elektronenvolt erreichen, das enstpricht zu mehr als 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. 

Leserkommentare
  1. Das Ding aus einer anderen Welt (1982).

    • EmilyC
    • 18. Mai 2013 14:07 Uhr

    "Erstmals wollen Forscher Neutrinos entdeckt haben, die nicht von dieser Welt stammen."

    -> Von welcher Welt denn dann, und was ist hier überhaupt mit "Welt" gemeint? Dass die Neutrinos, die in IceCube gemessen werden, hauptsächlich nicht auf der Erde produziert werden, dürfte ja klar sein.

    Auf der Startseite steht in der Kurzbeschreibung übrigens: "Erstmals wollen Forscher Neutrinos entdeckt haben." Das ist natürlich Blödsinn. Von Neutrinos weiß man, seit man das Energiespektrum des Beta-Zerfalls kennt, und das dürfte einige Jahrzehnte her sein.

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    Ich konnte aus dem Artikel nichts interessant-neues gewinnen.

  2. Ich konnte aus dem Artikel nichts interessant-neues gewinnen.

    Antwort auf "Woher denn dann?"
    • TQB1
    • 18. Mai 2013 14:28 Uhr

    Elementarteilchen sind das, was wir heute als Materie verstehen. Dementsprechend ist "Verköperung des Nichts" mindestens unglücklich bezeichnet. Neutrinos sind schließlich auch Materie, wenn auch zugegebenermaßen eine eher etwas exotische Sorte.

    Die im LHC befindlichen Protonen haben eine Geschwindigkeit von 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit. Da massebehaftete Teilchen die Lichtgeschwindigkeit niemals erreichen, ist die Angabe, dass 30 TeV Neutrinos noch "viel schneller" sind, eigentlich hinfällig.
    Die Änderung der Geschwindigkeit zwischen 8 und 30 TeV spielt sich in einer Region von viel weniger als einem Promille ab. Die Angabe von Geschwindigkeit in der Hochenergiephysik ist dementsprechend nicht sinnvoll und wird da auch nicht benutzt.

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    "Die im LHC befindlichen Protonen haben eine Geschwindigkeit von 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit. Da massebehaftete Teilchen die Lichtgeschwindigkeit niemals erreichen, ist die Angabe, dass 30 TeV Neutrinos noch "viel schneller" sind, eigentlich hinfällig."

    Daher nicht "viel schneller", sondern "massiver", weil da die kinetische Energie eigentlich nur noch Masse ist wenn der Teilchenimpuls nach "oben hin" unbeschränkt ist.

    Und die "Geburtsstunde der Neutrinoastronomie" hat ja schon begonnen:

    http://www-sk.icrr.u-toky...

    http://www-sk.icrr.u-toky...

    Die Sonne als Neutrinobild, natürlich etwas länger "belichtet" :-)

  3. Die Schlagzeile ließ mich schaudern. Sie ist leider völlig falsch.

    Die Existenz von Neutrinos wurde bereits im Jahr 1930 von Pauli vorhergesagt. Weil sich Neutrinos aber sehr schwer nachweisen lassen, dauerte es bis 1956, bis sie zum ersten mal nachgewiesen wurden. Diese Neutrinos stammten aus einem Kernkraftwerk. Etwas später wurden dann die ersten Neutrinos von der Sonne nachgewiesen und 1987 wurden Neutrinos von einer Supernova detektiert.

    Die Suche nach Neutrinos stellt heutzutage kein größeres Problem dar, die Detektoren sind lediglich sehr groß. Neben IceCube laufen momentan noch weitere Neutrinoexperimente, etwa Double Chooz und Daya Bay, die alle am laufenden Band Neutrinos messen.

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    Redaktion

    Liebe(r) Woche304,

    Die Schlagzeile "Forscbe finden Hinweise auf kosmische Geisterteilchen" ist korrekt. Bisher wurden nur Neutrinospuren ausgemacht, die von Teilchen stammen, die sich in der Erdatmosphäre gebildet hatten. Kosmisch bedeutet hier "aus den Tiefen des Alls". Allerdings stimmte Ihre Kritik, was die Unterzeile anging. Hier wurde nach der Redigatur zunächst ein Fehler eingebaut. Den habe ich geändert.

  4. "Die im LHC befindlichen Protonen haben eine Geschwindigkeit von 99,9999991 % der Lichtgeschwindigkeit. Da massebehaftete Teilchen die Lichtgeschwindigkeit niemals erreichen, ist die Angabe, dass 30 TeV Neutrinos noch "viel schneller" sind, eigentlich hinfällig."

    Daher nicht "viel schneller", sondern "massiver", weil da die kinetische Energie eigentlich nur noch Masse ist wenn der Teilchenimpuls nach "oben hin" unbeschränkt ist.

    Und die "Geburtsstunde der Neutrinoastronomie" hat ja schon begonnen:

    http://www-sk.icrr.u-toky...

    http://www-sk.icrr.u-toky...

    Die Sonne als Neutrinobild, natürlich etwas länger "belichtet" :-)

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    • hairy
    • 18. Mai 2013 17:28 Uhr

    "spuken", "Geister", "nicht von dieser Welt"...

    3 Leserempfehlungen
  5. Icecube registriert im Jahr mehrere 100 Millionen Ereignisse.

    Davon sind

    - Mehrere Millionen Myonen, welche in der Atmosphäre erzeugt wurden.
    - ca. 150 000 (Myon)Neutrinos die in der Atmosphäre erzeugt wurden.

    In diesem "Haufen" die "Nadel" von 28 Neutrinos zu finden ist eine grandiose Leistung. Die anderen Millionen Ereignisse kommen aus der Atmosphäre und sind somit "von dieser Welt".

    Schade, dass in diesem Artikel nicht auf die beteiligten deutschen Institute (Aachen, Bochum Bonn, DESY Zeuthen, Dortmund, Mainz, München) eingangen wurde..

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    Redaktion

    Lieber NacktNasenWombi,

    Das Desy-Forscher Teil der internationalen IceCube-Forschergemeinde ist, habe ich erwähnt:

    - "Wir erleben vielleicht gerade die Geburtstunde der Neutrinoastronomie", sagt Markus Ackermann, der Leiter der gleichnamigen Forschergruppe am Forschungszentrum Desy in Zeuthen. Ackermann ist Teil des IceCube-Teams.-

    Auch die Mitteilung des Desy ist verlinkt. In diesem konkreten Fall waren allerdings die amerikanischen Forscher, jene die die Daten zunächst öffentlich gemacht haben.

    Leider lässt sich zudem bei einer so großen Zahl an beteiligten Forschern nicht jeder einzeln nennen. Daher ist auch auf die Detektorseite des IceCube verlinkt. Wer sich also über alle beteiligten Institute informieren will, kann dies dort tun.

    • EmilyC
    • 19. Mai 2013 13:27 Uhr

    Mir ist klar, dass die Neutrinos durch Pion- (und Kaon-) Zerfälle in der Atmosphäre entstehen. Ob man die Atmosphäre zur Erde zählt ist die eine Frage, die andere ist nunmal, was hier mit "von dieser Welt" gemeint ist. Das klingt eben nicht nur arg unwissenschaftlich, sondern ist auch einfach unverständlich.

    Ich hätte mir gewünscht, dass hier ein bisschen genauer erläutert wird, wieso diese 28 Neutrinos nun was Besonderes sind, mir ist es nämlich ehrlich gesagt nicht ganz klar. Woher weiß man überhaupt, dass sie nicht in der Atmosphäre entstanden sind? Könnte doch auch sein, dass irgendwelche extrem hochenergetische primäre Strahlung dafür verantwortlich ist, die dann eben auch sehr hochenergetische sekundäre Neutrinos erzeugt. Wie kann man das ausschließen, bzw. welche Schlüsse zieht man denn aus den Messungen überhaupt? Das wird im Artikel gar nicht erwähnt.

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  • Schlagworte Astronomie | LHC | Urknall | Antarktis | Mittelmeer | Südpol
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