Neutrinos gelten auch als „Geisterteilchen“, denn diese fast masselosen Elementarteilchen interagieren kaum mit Materie und sind daher nur schwer zu detektieren. Dies gilt besonders für energiereiche kosmische Neutrinos, die aus den Tiefen des Alls kommen. Weil sie kaum abgelenkt werden oder wechselwirken, können sie weite Strecken nahezu ungehindert zurücklegen. Dadurch sind solche Neutrinos wertvolle Zeugen energiereicher Prozesse im All und damit möglicher Quellen der kosmischen Strahlung. Um sie zu beobachten, benötigen Physiker jedoch große Detektoren wie das IceCube-Neutrino-Observatorium am Südpol. Dieses umfasst tausende Photodetektoren, die in einem Kubikkilometer des antarktischen Eises eingebettet sind. Wenn Neutrinos im Eis mit Atomen interagieren, entstehen Kaskaden sekundärer Teilchen und längere Teilchenspuren, die jeweils charakteristische Photoemissionen erzeugen. Anhand dieser Tscherenkowstrahlung können Physiker nachvollziehen, wie energiereich das Neutrino war und aus welcher Richtung es kam.
Vier Hypothesen auf dem Prüfstand
Jetzt haben Physiker der IceCube-Kollaboration Daten des Neutrinoobservatoriums aus den letzten gut zehn Jahren ausgewertet. Sie analysierten dafür das Energiespektrum der Teilchenspuren und Kaskaden der Sekundärteilchen – die Kurve, die verrät, wie viele Neutrinos welcher Energie eintreffen. Dieses Spektrum verglichen sie mit vier verschiedenen Hypothesen zu ihrem Verlauf. Demnach könnte die Energieverteilung der kosmischen Neutrinos einer einheitlichen Potenzfunktion entsprechen, einer Potenzfunktion mit „abgeschnittener“ Obergrenze, einer sogenannten log-parabolischen Funktion oder aber einer gebrochenen Potenzfunktion – also einer Kurve, die in ihrem Verlauf unterschiedlichen Potenzfunktionen folgt.
Die Auswertungen ergaben: Weder eine einheitliche Potenzfunktion noch eine log-parabolische Funktion passen zum beobachteten Energiespektrum der kosmischen Neutrinos. Stattdessen zeigte sich eine signifikante Intensitätsspitze bei rund 30 Teraelektronenvolt. „Zum ersten Mal sehen wir tatsächlich eine Struktur im Energiespektrum“, erklärt Co-Autor Markus Ackermann vom Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg. „Wir sehen, wie die Intensität der Neutrinos bis zu einem Punkt bei einer Energie von etwa 30 Teraelektronenvolt ansteigt und dann wieder abnimmt. Das bedeutet, dass wir die Energie gefunden haben, bei der die Neutrinoemission im Universum am stärksten ist.“ Frühere Studien hatten zwar bereits auf ein solches „Knie“ an dieser Stelle im Energiespektrum der Neutrinos hingedeutet. „Wir haben diesen Bruch im Spektrum nun erstmals statistisch signifikant nachgewiesen“, schreibt das Physikerteam.
Hilfe bei der Suche nach den Quellen
Die Form des Energiespektrums und die Lage der Intensitätsspitze ermöglichen es den Forschenden nun, viele der von theoretischen Modellen prognostizierte Quellen der Neutrinos und damit auch der energiereichen kosmischen Strahlung auszuschließen. „Die Daten ermöglichen es uns, unsere Modelle zur Erzeugung dieser Neutrinos zu verbessern und die Produktionsprozesse und Quellklassen deutlich besser einzugrenzen als bisher“, sagt Ackermann. „Jetzt, da wir die Spitze der Intensität sehen, wird vieles wesentlich konkreter – wie die Neutrinoquellen funktionieren, welche Prozesse die Neutrinos erzeugen und wie Teilchen in diesen Quellen beschleunigt werden.“ Dadurch können sich Astrophysiker in Zukunft auf die potenziellen Teilchenquellen und Prozesse konzentrieren, die die passenden Umgebungsbedingungen und physikalischen Mechanismen aufweisen, um Neutrinos mit den beobachteten Energien zu erzeugen.
„Die Ergebnisse sind ein wichtiger erster Schritt“, sagt Co-Autor Marek Kowalski vom DESY und der Humboldt-Universität zu Berlin. „In Zukunft wollen wir Spektral- und Kompositionsmessungen kombinieren, um Einblicke in die Magnetfelder und andere Eigenschaften der kosmischen Beschleuniger zu gewinnen. Um die Funktionsweise dieser Beschleuniger wirklich aufzuklären, brauchen wir allerdings IceCube-Gen2.“ Das geplante Observatorium IceCube-Gen2 soll den bestehenden IceCube-Detektor am Südpol deutlich erweitern und seine Sensitivität erheblich erhöhen.
Quelle: Abbasi et al. (IceCube Collaboration), Physical Review Letters, doi: 10.1103/2gh9-d4q7
