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Um Neutrinos im Weltraum zu fangen, legen Astronomen Fallen in grönländisches Eis | Wissenschaft

Flaggen markieren die Standorte von Antennen, die Funkimpulse von Neutrino-Kollisionen im Eis erkennen sollen.

CHRISTOPH WELLING/RNO-G KOOPERATION/DESY

Von Daniel Clery

Hoch auf dem grönländischen Eisschild bohren Forscher diese Woche Bohrlöcher. Aber sie sind keine Geowissenschaftler, die nach Hinweisen auf vergangene Klimata suchen. Sie sind Teilchen-Astrophysiker, die nach den kosmischen Beschleunigern suchen, die für die energiereichsten Teilchen im Universum verantwortlich sind. Indem sie Hunderte von Radioantennen auf der Eisoberfläche und Dutzende Meter tiefer platzieren, hoffen sie, schwer fassbare Teilchen, die als Neutrinos bekannt sind, mit höheren Energien als je zuvor einzufangen. “Es ist eine Entdeckungsmaschine, die bei diesen Energien nach den ersten Neutrinos sucht”, sagte Cosmin Deaconu von der University of Chicago von der Grönländischen Bergstation.

Detektoren anderswo auf der Erde registrieren gelegentlich die Ankunft von kosmischer Strahlung mit ultrahoher Energie (UHE). Forscher wollen ihre Quellen lokalisieren, aber weil die Kerne geladen sind, verbiegen Magnetfelder im Weltraum ihre Bahnen und verdecken ihren Ursprung.

Hier kommen Neutrinos ins Spiel. Theoretiker glauben, dass, wenn kosmische UHE-Strahlen ihre Quellen verlassen, sie sogenannte kosmogene Neutrinos hervorbringen, wenn sie mit Photonen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund kollidieren, die das Universum durchdringen. Da sie nicht geladen sind, reisen die Neutrinos blitzschnell zur Erde. Die Schwierigkeit besteht darin, es zu fangen. Neutrinos reagieren notorisch nur ungern mit Materie, sodass Billionen jede Sekunde ohne Vorankündigung durch Sie hindurchgehen. Riesige Materialmengen müssen überwacht werden, um nur eine Handvoll Neutrinos einzufangen, die mit Atomen kollidieren.

Der größte solcher Detektor ist das IceCube Neutrino Observatory in der Antarktis, das auf einem Kubikkilometer Eis unterhalb des Südpols nach Blitzen von Neutrinoatomkollisionen Ausschau hält. Seit 2010 hat IceCube viele Neutrinos im Weltraum entdeckt, aber nur eine Handvoll – mit den Spitznamen Bert, Ernie und Big Bird – mit Energien von annähernd 10 Peta-Elektronenvolt (PeV), der erwarteten Energie kosmogener Neutrinos, sagt Olga , ein Mitglied des IceCube-Teams an der Universität Uppsala. „Um in vertretbarer Zeit mehrere Neutrinos mit noch höheren Energien nachzuweisen, müssen wir wesentlich größere Eismengen überwachen.“

Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, ein anderes Signal zu nutzen, das durch einen Neutrino-Einschlag erzeugt wird: einen Puls von Radiowellen. Da sich die Wellen bis zu 1 Kilometer im Eis fortbewegen, kann eine weit beabstandete Anordnung von Radioantennen nahe der Oberfläche ein viel größeres Eisvolumen zu geringeren Kosten überwachen als IceCube mit seinen langen Anordnungen von Photonendetektoren tief im Eis. Das Radio Neutrino Observatory Grönland (RNO-G) unter Leitung der University of Chicago, der Freien Universität Brüssel und des deutschen Beschleunigerzentrums DESY testet das Konzept erstmals gemeinsam. Nach seiner Fertigstellung im Jahr 2023 wird es über 35 Stationen mit jeweils zwei Dutzend Antennen verfügen und eine Gesamtfläche von 40 Quadratkilometern abdecken. Das Team hat letzte Woche die erste Station in der Nähe der von den USA betriebenen Summit Station an der Spitze des grönländischen Eisschildes installiert und ist zur zweiten übergegangen. Die Umgebung ist abgelegen und unversöhnlich. „Wenn Sie etwas nicht mitgebracht haben, können Sie es nicht schnell versenden“, sagt Deaconu. “Du musst mit dem auskommen, was du hast.”

Die kosmogenen Neutrinos, die das Team zu fangen hofft, würden von gewaltigen kosmischen Motoren stammen. Die wahrscheinlichsten Energiequellen sind supermassereiche Schwarze Löcher, die sich mit Material aus ihren umgebenden Galaxien füllen. IceCube hat zwei Neutrinos im Weltraum verfolgt mit Energien niedriger als Bert, Ernie und Big Bird zu Galaxien mit massereichen Schwarzen Löchern – ein Zeichen dafür, dass sie auf dem richtigen Weg sind. Aber es werden noch viel mehr Neutrinos bei höheren Energien benötigt, um die Verbindung zu bestätigen.

Die Forscher hoffen, dass die Neutrinos nicht nur die Quellen der kosmischen UHE-Strahlung lokalisieren, sondern auch zeigen, woraus diese Teilchen bestehen. Zwei Hauptinstrumente, die kosmische UHE-Strahlen detektieren, unterscheiden sich in ihrer Zusammensetzung. Daten vom Telescope Array in Utah deuten darauf hin, dass es sich ausschließlich um Protonen handelt, während das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien darauf hindeutet, dass schwerere Kerne zwischen die Protonen gemischt sind. Das Energiespektrum der von diesen Teilchen erzeugten Neutrinos sollte sich je nach Zusammensetzung unterscheiden, was wiederum Hinweise darauf geben könnte, wie und wo sie beschleunigt werden.

RNO-G kann gerade genug Neutrinos einfangen, um diese verräterischen Energieunterschiede aufzudecken, sagt Anna Nelles von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, eine der Projektleiterinnen, die schätzt, dass RNO-G bis zu drei kosmogene Neutrinos pro Jahr einfangen kann. Aber “wenn wir Pech haben”, sagt sie, könnten Entdeckungen so selten sein, dass es Zehntausende von Jahren dauern würde, um nur einen zu finden.

Auch wenn sich RNO-G als abwartendes Spiel erweist, ist es auch eine Testumgebung für ein viel größeres Radio-Array mit einer Fläche von 500 Quadratkilometern, das im Rahmen eines IceCube-Upgrades geplant ist. Wenn es kosmogene Neutrinos gibt, findet der IceCube der zweiten Generation sie und löst die Frage, was sie sind. “Es kann mit Neutrinos geflutet werden, 10 pro Stunde”, sagt Nelles. “Aber wir müssen Glück haben.”

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Lili Falk

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