Neutrinos sind fast masselose Elementarteilchen, die nur wenig mit Materie interagieren und deshalb unseren Körper und sogar die Erdkugel durchfliegen können, ohne absorbiert zu werden. Neutrinos entstehen bei radioaktiven Zerfallsprozessen, bei Teilchenkollisionen in unserer Atmosphäre und bei der Kernfusion in der Sonne, aber auch bei energiereichen, kurzlebigen Prozessen wie Supernovae oder der Zerstörung von Sternen an supermassereichen Schwarzen Löchern. Eine weitere Quelle für astrophysikalische Neutrinos ist die Interaktion kosmischer Strahlung mit dem interstellaren Medium unserer Galaxie: Wenn die Teilchen dieser energiereichen Strahlung mit den Atomen der interstellaren Gase kollidieren, setzt dies eine Zerfallskette in Gang, bei neben Gammastrahlung auch Neutrinos produziert werden. Die Gammastrahlen dieser Wechselwirkungen haben Astronomen bereits nachgewiesen – sie erzeugen ein diffuses, vor allem im dichten galaktischen Zentrum gehäuftes Gammaglühen der Milchstraße.
Teilchenkaskaden im Südpoleis
Der Nachweis einer vergleichbaren Neutrino-Emission aus unserer Galaxie stand jedoch noch aus. “Frühere Suchen mit Neutrinodetektoren konnten kein statistisch signifikantes Signal finden”, erklären die Physiker der IceCube-Kollaboration. Einer der Gründe dafür war, dass sich die aus unserer Galaxie stammenden Neutrinos inmitten eines weit größeren Einstroms von Neutrinos aus der Erdatmosphäre und anderen nichtastrophysikalischen Quellen verbergen. “Selbst bei der Suche nach astrophysikalischen Neutrinos mit Energien im Teraelektronenvolt-Bereich bleiben diese atmosphärischen Neutrinos als substanzieller Hintergrund bestehen”, erklärt das Team. Ein weiterer Grund: Viele der energiereichen Neutrinos, die potenziell aus der Milchstraße stammen könnten, erzeugen keine langen, gut auf eine Herkunftsregion zurückzuführenden Spuren in den Detektoren, sondern eher kurze Kaskaden sekundärer Teilchen. Betrachtet man nur diese, kann man daher zwar das Hintergrundrauschen durch atmosphärische Teilchen verringern, dafür machen die kurzen Spuren es schwer, die ursprüngliche Richtung und damit die Herkunft dieser Teilchen zu ermitteln.
“Kaskaden-basierte Suchen sind daher verlässlich in Bezug auf die Reinheit des Signals, aber weniger bei der Winkelauflösung der einzelnen Ereignisse”, erklären die Physiker der IceCube-Kollaboration. Um dennoch die Neutrino-Emission der Milchstraße aufspüren zu können, haben sie nun zehn Jahre an Beobachtungsdaten des IceCube-Detektors am Südpol mit modernsten Methoden KI-gestützter Auswertung kombiniert. Der IceCube-Neutrinodetektor besteht aus 5160 Photodetektoren, die in einer dreidimensionalen Gitterformation zwischen 1,5 und 2,5 Kilometer tief ins antarktische Eis eingelassen sind. Wenn ein Neutrino bei seiner Passage durch das Eis mit einem Atom kollidiert, entstehen angeregte sekundäre Teilchen, die überschüssige Energie in Form von Licht abgeben. Diese winzigen, schwachen Lichtblitze fangen die Photodetektoren ein und erlauben so Rückschlüsse auf Form und Richtung der Teilchenkaskade und die Energie des Ereignisses.
