Spektakulär hochenergetisches kosmisches Neutrino beobachtet , RWTH Wissenschaftler des „IceCube Neutrino Observatoriums“ maßgeblich an der Entdeckung beteiligt

07.08.2015

Physiker des „IceCube Neutrino Observatoriums“ berichteten am 4. August 2015 auf der „34th  International Cosmic Ray Conference“ in den Haag, Niederlande, über die Beobachtung des höchstenergetischsten jemals gemessenen Neutrinos. Bereits im November 2013 veröffentlichte die Kollaboration in der Fachzeitschrift Science die Ergebnisse einer Messung, die als Nachweis von nicht-terrestrischen Neutrinos gelten. Die IceCube-Gruppe der RWTH Aachen befasst sich unter anderem mit der Datenanalyse und der Detektorenentwicklung.

 

Die Erde wird kontinuierlich von kosmischer Strahlung bombardiert - mit Teilchen, deren Energien bis zu zehnmillionenfach größer sind als sie in Teilchenbeschleunigern, wie beispielsweise dem Large Hadron Collider (LHC), auf der Erde erzeugt werden können. Obwohl diese zumeist aus Atomkernen bestehende Strahlung schon vor mehr als hundert Jahren entdeckt wurde, sind ihre astronomischen Quellen immer noch unbekannt. Die Lösung dieses Rätsel gehört zu den wichtigsten Aufgaben der modernen Physik. Zur Lösung haben Physiker schon vor mehr als 50 Jahren vorgeschlagen, nach kosmischen Neutrinos zu suchen, weil diese ungestört auf geradem Weg durch das Universum fliegen, und weil ihre Existenz eng mit der Produktion der kosmischen Strahlung verknüpft wäre. Jedoch stellt ihre Messung eine große Herausforderung dar, da extrem große Detektoren benötigt werden.

Nach mehreren Jahrzehnten der Detektorentwicklung und sechsjähriger Bauzeit wurde im Jahr 2010 das „IceCube Neutrino Observatorium“ (icecube.wisc.edu) am geografischen Südpol fertiggestellt. Hier arbeiten heute 310 Wissenschaftlern einer internationalen Kollaboration von 44 Instituten aus 12 Ländern unter der Leitung der University of Wisconsin, Madison, USA. IceCube ist der weltweit größte Neutrinodetektor und instrumentiert circa ein Kubikkilometer des antarktischen Eises in einer Tiefe zwischen anderthalb und zweieinhalb Kilometer mit ultra-sensitiven Lichtsensoren. Diese können das schwache Lichtsignal messen, das bei einer Neutrinowechselwirkung mit dem Eis entsteht. Bereits in den Messdaten der ersten Jahre konnte ein kosmisches Neutrinosignal entdeckt werden.

Physiker der IceCube Kollaboration haben nun mit Hilfe zusätzlicher Daten von nun insgesamt sechs Jahren Messzeit die vorherigen Messungen deutlich verbessert. . Die gemessenen Daten bestehen aus mehreren Milliarden aufgezeichneten Leucht-Ereignissen, die zumeist Untergrund sind und nicht auf Neutrinos zurückzuführen sind. Daraus wurde mit ausgefeilten Analysemethoden eine beeindruckende Auswahl von 340.000 Ereignissen extrahiert, die auf Wechselwirkungen von Myon-Neutrinos zurückgeführt werden können. Diese Neutrinos stammen zu ihrer überwiegenden Zahl nicht aus dem Kosmos, sondern sind bei Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung mit der Erdatmosphäre entstanden.

Eines der Ereignisse sticht heraus: Es ist ein extrem hochenergetisches Neutrino, dessen Ursprung mit hoher Wahrscheinlichkeit außerhalb unseres Sonnensystems liegt. Leif Rädel, Wissenschaftler der RWTH Aachen und Entdecker des Ereignisses, erläutert: „Bei dem Ereignis handelt sich um ein Neutrino-induziertes Myon, dass über einen Kilometer durch das instrumentierte Detektorvolumen fliegt. Auf seinem Weg durch den Detektor verliert es eine Energie von circa 2,6 PeV, was einer erwarteten Myonenergie von 4 bis 5 PeV entspricht. Das heißt, dass die Neutrinoenergie sogar noch größer gewesen sein muss.“ Sein Mitentdecker Sebastian Schoenen, ebenfalls von der RWTH, erklärt: „Diese hohe Energie bricht nicht nur den Weltrekord der von IceCube im Jahr 2013 beobachteten Neutrinoenergie von 2,2 PeV. Diesmal ist es eine lange Spur, deren Richtung mit einer Genauigkeit von besser als 1° gemessen werden kann. Daher kann nach astronomischen Quellen in der Herkunftsrichtung des Ereignisses gesucht werden.“ Professor Dr. Christopher Wiebusch, Leiter der Aachener Gruppe, fasst zusammen: „Unser Gruppe hat sich auf diese Suche nach hochenergetischen Spuren spezialisiert. Bereits die Analyse der ersten Daten zeigte Hinweise auf ein kosmisches Neutrinosignal. Hierfür wurde die Aachener Physikerin Anne Schukraft mit dem Hertha-Sponer-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) ausgezeichnet. Dies hat uns darin bestärkt, die Analysemethoden ständig zu verbessern. Dieser Erfolg ist eine große Belohnung für viele Jahre harte Arbeit.“

Die internationale Sprecherin der IceCube Kollaboration, Professorin Dr. Olga Botner von der Universität Uppsala, Schweden, verdeutlicht die zukünftige Perspektive: „Die Beobachtung dieses multi-PeV Myon-Neutrinos bedeutet einen weiteren Schritt in der Erforschung des Universums bei hohen Energien. Da Myon-Neutrinos eine sehr gute Richtungsauflösung besitzen, bringt uns die Entdeckung dem Lösen des Rätsels der Quellen der höchstenergetischen kosmischen Strahlung näher.“ Sie merkt an: „Auch wenn dieses Ereignis durch eine an der RWTH Aachen entwickelte Analyse entdeckt wurde, wird die Begeisterung von der gesamten Kollaboration geteilt. Der Erfolg von IceCube wird von der gemeinschaftlichen Leistung unseres internationalen Teams getragen. Dies reicht vom Bau des Detektors, der Eichung, der Messung der Daten bis zur Entwicklung der Analysewerkzeuge.“

Das „IceCube Neutrino Observatory“ wurde gebaut und wird betrieben unter der Federführung der US National Science Foundation (NSF) mit der Unterstützung von weltweiten Partner-Förderinstitutionen aus den USA, Deutschland, Schweden, Belgien, Schweiz, Japan, Kanada, Neuseeland, Australien, Großbritannien und Korea. Der Beitrag der neun deutschen Universitäten und Forschungszentren besteht in der Bereitstellung ihrer Infrastruktur und der Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die Helmholtz Allianz für Astroteilchenphysik (HAP).

  Neutrino-Ereignis IceCube Collaboration

Perspektivische Ansicht des mit IceCube am 11. Juni 2014 gemessenen Neutrinoereignisses. Die Lichtsensoren von IceCube, die einen Kubikkilometer des antarktischen Eises am Südpol in einer Tiefe von 1450 bis 2450 Metern instrumentieren, sind als schwarze Punkte dargestellt. Die farbigen Kugeln repräsentieren jene Sensoren, die ein Lichtsignal nahezu synchron innerhalb von 3 Mikrosekunden gemessen haben. Die Farben deuten die Ankunftszeit des Signals von frühen Zeiten (Rot) zu späteren (Grün) an. Die Größe der Kugeln skaliert mit der Intensität des gemessenen Signals. Die blaue Linie zeigt die rekonstruierte Teilchenspur, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch den Detektor bewegt. Durch die hohe Energie des Teilchens ist das Leuchten der Spur so intensiv, dass es von Sensoren in mehreren hundert Metern Entfernung zur Spur noch gemessen werden kann.

  IceCube-Labor Sven Lidstrom, IceCube/NSF

Das IceCube-Labor im März, 2012. Im IceCube-Labor in der Nähe der Amundsen-Scott Südpol Station in der Antarktis stehen die Computer, die die Rohdaten sammeln. In diesem Labor werden Daten in nahezu Echtzeit rekonstruiert und vorselektiert, bevor sie per Satellit an die Datenzentren des Observatoriums auf der Nordhalbkugel übertragen werden. Für Physikstudien stehen sie dann allen beteiligten Wissenschaftlern zur Verfügung.

  IceCube Neutrino Observatorium IceCube Collaboration

Skizze des „IceCube Neutrino Observatoriums“. Der IceCube Detektor instrumentiert ein Volumen von ungefähr einem Kubikkilometer des klaren antarktischen Eises mit 5160 digitalen optischen Sensoren in einer Tiefe von 1450 bis 2450 Metern. Das Observatorium besteht zusätzlich aus einem dichter instrumentierten Subdetektor, DeepCore, im Zentrum und einem Luftschauerdetektor, IceTop, auf der Oberfläche.