Wo Geisterteilchen im All entstehen

Extragalaktische Neutrinos durchströmen das ganze Universum - doch woher diese Geisterteilchen stammen, war bis vor Kurzem rätselhaft. Nun haben Forscher ihren Ursprung entdeckt: Sie entstehen in kosmischen Teilchenbeschleunigern.

Gleich vier verschiedene Publikationen in den Fachblättern „Science“ und „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ berichten heute von dieser Entdeckung - wohl ein Zeichen dafür, dass den Forschern der IceCube-Kollaboration da ein ganz besonderer Fang ins Detektornetz gegangen ist. Gefangen wurde ein Neutrino, auch bekannt unter dem Namen Geisterteilchen. Geisterhaft sind die Neutrinos insofern, als sie normalerweise völlig unbemerkt durch den Raum rasen.

Kann man Neutrinos spüren?

„Wenn ein energiereiches Neutrino den menschlichen Körper trifft, spüren wir nichts“, erklärt David Paneque vom Max-Planck-Institut für Physik. „In Detektoren zeigen sich die Neutrinos indirekt: Bei der Wechselwirkung mit einem Atomkern entsteht ein Myon und dadurch wiederum Licht - das Licht ist das Signal, das wir messen.“

In jeder Sekunde treffen etwa 60 Milliarden dieser Elementarteilchen auf die Fläche von der Größe unseres Daumennagels – und durchschlagen ihn glatt. Dass wir von alldem nichts mitbekommen, liegt daran, dass diese Teilchen mit normaler Materie so gut wie keine Wechselwirkung eingehen. Bemerkbar machen sie sich allenfalls dann, wenn sie punktgenau auf einen Atomkern treffen. Und das ist extrem unwahrscheinlich.

Alarm auf dem Südpol

Manchmal aber passiert es doch. Am 22. September 2017 schlugen die unterirdischen Messinstrumente des IceCube-Observatoriums nahe dem Südpol an. Ein Schauer kosmischer Neutrinos war in den einen Kubikkilometer großen Detektorblock aus Eis gerast. Eines davon erwies sich als extrem energiereich, 300 Billionen Elektronenvolt zeigten die Instrumente an - das ist fast 50-mal mehr, als der große Teilchenbeschleuniger des CERN zu produzieren imstande ist.

IceCube-Observatorium in der Antarktis
IceCube/NSF
Das IceCube-Observatorium in der Antarktis besitzt den größten Teilchendetektor der Welt

Aus dem Signal rekonstruierten die Forscher zunächst die Flugbahn, die das Neutrino durch das Weltall genommen hatte. Dann ging ein „Astronomer’s Telegram“ an die Fachkollegen auf allen Kontinenten, mit der Bitte, man möge doch in dieser Richtung nach auffälligen Signalen suchen.

Ein solches war schnell gefunden: Das Weltraumteleskop Fermi-LAT machte in Projektion der Flugbahn ein mehrere Milliarden Lichtjahre entferntes supermassereiches Schwarzes Loch aus, das Materie einsaugt und sie dabei dermaßen stark beschleunigt bzw. erhitzt, dass ein gebündelter Strom aus Teilchen und Strahlung ins All schießt. Blazare nennen Astrophysiker solche kosmischen Teilchenbeschleuniger.

Von Schwarzem Loch ins All geschleudert

Messungen der MAGIC-Teleskope auf der Kanareninsel La Palma bestätigten: Die Strahlung vom Blazar TXS 0506+056 im Sternbild Orion hat genau die zum Neutrino passende Energie. Das auf dem Südpol gemessene Neutrino stammt mit größter Wahrscheinlichkeit von dort. Als das Teilchen vor etwa 3,8 Milliarden Jahren seine Reise durchs All antrat, entstanden auf der Erde gerade die ersten primitiven Lebensformen.

Somit wurde eines der großen Rätsel der Astrophysik gelöst. Und ein zweites gleich dazu: Bisher war nämlich unklar, woher Teile der vor mehr als 100 Jahren entdeckten kosmischen Strahlung stammen.

Künstlerische Darstellung eines Blazars
DESY, Science Communication Lab
Blazar: Ein Jet entweicht aus dem Zentrum einer Galaxie

Die „normale“, also nicht ganz so energiereiche kosmische Strahlung „stammt von Supernova-Explosionen in unserer Galaxis“, sagt Klaus Helbing von der Uni Wuppertal, ein Mitglied des 300-köpfigen Forscherteams. „Aber es gibt auch Anteile, die noch um einige Größenordnungen höhere Energiebereiche erreichen als das nun entdeckte Neutrino. Wir sprechen hier von zehn Trillionen Elektronenvolt.“

Wie die Forscher herausgefunden haben, sind die Neutrinos offenbar Abkömmlinge von extrem beschleunigten Protonen. Das spricht dafür, dass auch die hochenergetische kosmische Strahlung von Blazaren ins All geschossen wird.

Noch ein ungelöstes Rätsel

Eine große Frage bleibt allerdings noch zu beantworten: Warum die Neutrinos eine winzige - aber eben doch vorhandene - Ruhemasse besitzen, ist mit der herkömmlichen Theorie, dem Standardmodell, nicht zu erklären.

Auch hier ruhen die Hoffnungen auf IceCube: Sollte sich einmal ein Teilchen aus der Zeit kurz nach dem Urknall in den Detektorblock verirren, könnte es den Theoretikern den Weg zum heiligen Gral der Teilchenphysik weisen: zur großen vereinheitlichten Theorie, die alle Naturkräfte des Universums vereint.

Robert Czepel, science.ORF.at

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